המדריך האולטימטיבי ל-CFRP: פלסטיק/פולימר מחוזק בסיבי פחמן

עם הפיתוח המתמשך של חומרים מרוכבים, בנוסף לפלסטיק מחוזק בסיבי זכוכית, הופיעו גם פלסטיק מחוזק בסיבי פחמן, פלסטיק מחוזק בסיבי בורון ועוד. חומרים מרוכבים פולימריים מחוזקים בסיבי פחמן (CFRP) הם חומרים קלים וחזקים המשמשים לייצור מוצרים רבים שאנו משתמשים בהם בחיי היומיום שלנו. זהו מונח המשמש לתיאור חומרים מרוכבים מחוזקים בסיבים המשתמשים בסיבי פחמן כמרכיב המבני העיקרי.

תוכן עניינים:

1. מבנה פולימר מחוזק בסיבי פחמן
2. שיטת היציקה של פלסטיק מחוזק בסיבי פחמן
3. תכונות של פולימר מחוזק בסיבי פחמן
4. יתרונות ה-CFRP
5. חסרונות של CFRP
6. שימושים בפלסטיק מחוזק בסיבי פחמן

מבנה פולימר מחוזק בסיבי פחמן

פלסטיק מחוזק בסיבי פחמן הוא חומר שנוצר על ידי סידור חומרי סיבי פחמן בכיוון מסוים ושימוש בחומרים פולימריים מחוברים. קוטר סיבי הפחמן דק ביותר, כ-7 מיקרון, אך חוזקו גבוה ביותר.

יחידת המרכיב הבסיסית ביותר של חומר מרוכב מחוזק בסיבי פחמן היא פילמנט סיבי פחמן. חומר הגלם הבסיסי של פילמנט פחמן הוא פוליאקרילוניטריל (PAN) פרה-פולימר, ריון, או זפת נפט. לאחר מכן, פילמנטים מיוצרים לבדי סיבי פחמן בשיטות כימיות ומכניות עבור חלקי סיבי פחמן.

הפולימר המקשר הוא בדרך כלל שרף תרמוסטי כגון אפוקסי. לעיתים משתמשים בפולימרים תרמוסטיים או תרמופלסטיים אחרים, כגון פוליוויניל אצטט או ניילון. בנוסף לסיבי פחמן, חומרים מרוכבים יכולים להכיל גם ארמיד Q, פוליאתילן בעל משקל מולקולרי גבוה במיוחד, אלומיניום או סיבי זכוכית. תכונות מוצר סיבי הפחמן הסופי יכולות להיות מושפעות גם מסוג התוספים המוכנסים למטריצת הקישור.

שיטת היציקה של פלסטיק מחוזק בסיבי פחמן

מוצרי סיבי פחמן שונים זה מזה בעיקר בשל תהליכים שונים. ישנן שיטות רבות ליצירת חומרים פולימריים מחוזקים בסיבי פחמן.

1. שיטת הנחת יד

מחולק לשיטה יבשה (סדנה מוכנה מראש) ושיטה רטובה (בד סיבים ושרף מודבקים לשימוש). שכבת חומר ידנית משמשת גם להכנת קדם-פרגים לשימוש בתהליכי יציקה משניים כגון יציקה בדחיסה. בשיטה זו מניחים יריעות של בד סיבי פחמן על תבנית ליצירת המוצר הסופי. תכונות החוזק והקשיחות של החומר המתקבל ממוטבות על ידי בחירת היישור והאריגה של סיבי הבד. לאחר מכן התבנית ממולאת באפוקסי ומרופשת בחום או באוויר. שיטת ייצור זו משמשת לעתים קרובות עבור חלקים שאינם נתונים ללחץ, כגון כיסויי מנוע.

2. שיטת עיצוב בוואקום

עבור חומר פרפרג למינציה, יש צורך להפעיל לחץ באמצעות תהליך מסוים כדי להפוך אותו קרוב לתבנית, וליצור אותו בטמפרטורה ולחץ מסוימים. שיטת שקית הוואקום משתמשת במשאבת ואקום כדי לפנות את פנים שק העיצוב כך שהלחץ השלילי בין השקית לתבנית יוצר לחץ כך שהחומר המרוכב יהיה קרוב לתבנית.

על בסיס שיטת שקית הוואקום, נגזרה מאוחר יותר שיטת יצירת שקית ואקום-אוטוקלאב. אוטוקלאבים מספקים לחצים גבוהים יותר ומרפאים את החלק בחום (במקום ריפוי טבעי) בהשוואה לשיטות של שקית ואקום בלבד. לחלק כזה מבנה קומפקטי יותר, איכות פני שטח טובה יותר, יכול להסיר ביעילות בועות אוויר (בועות ישפיעו מאוד על חוזק החלק), והאיכות הכוללת גבוהה יותר. למעשה, תהליך האריזה בשקית ואקום דומה לזה של הדבקת סרט לטלפון נייד. סילוק בועות אוויר הוא משימה עיקרית.

3. שיטת יציקת דחיסה

יציקת דחיסהזוהי שיטת יציקה המסייעת לייצור המוני. תבניות עשויות בדרך כלל מחלקים עליונים ותחתונים, שאנו מכנים תבנית זכרית ותבנית נקבה. תהליך היציקה הוא להכניס את המשטח העשוי מ"פרפרגים" לתבנית מתכתית, ותחת פעולת טמפרטורה ולחץ מסוימים, המשטח מחומם ומופחת בחלל התבנית, זורם תחת לחץ, וממלא את חלל התבנית, ולאחר מכן עובר יציקה וריפוי כדי לקבל מוצרים. עם זאת, לשיטה זו עלות התחלתית גבוהה יותר מהקודמת, מכיוון שהתבנית דורשת עיבוד CNC בדיוק גבוה מאוד.

4. יציקת מתפתל

עבור חלקים בעלי צורות מורכבות או בצורת גוף סיבוב, ניתן להשתמש במתיחה של חוט כדי לייצר את החלק על ידי ליפוף החוט על גבי מוט או ליבה. לאחר הליפוף, יש ליישר את הקצה ולהסיר את ה מוט. לדוגמה, ניתן לייצר זרועות חיבור צינוריות המשמשות במערכות מתלה בשיטה זו.

5. יציקת העברת שרף

יציקת שרף (RTM) היא שיטת יציקה פופולרית יחסית. השלבים הבסיסיים שלה הם:
1. הניחו את בד סיבי הפחמן הרע שהוכן בתבנית וסגרו את התבנית.
2. הזריקו לתוכו שרף תרמוסטי נוזלי, הספגו את חומר החיזוק והתייבשו.

תכונות של פולימר מחוזק בסיבי פחמן

(1) חוזק גבוה וגמישות טובה.

החוזק הסגולי (כלומר, היחס בין חוזק המתיחה לצפיפות) של סיבי פחמן גדול פי 6 מזה של פלדה ופי 17 מזה של אלומיניום. המודול הסגולי (כלומר, היחס בין מודול יאנג לצפיפות, שהוא סימן לגמישות של אובייקט) גדול פי 3 מזה של פלדה או אלומיניום.

עם חוזק סגולי גבוה, הוא יכול לשאת עומס עבודה גדול. לחץ העבודה המרבי שלו יכול להגיע ל-350 ק"ג/ס"מ רבוע. בנוסף, הוא דחיס וגמיש יותר מאשר F-4 טהור והצמה שלו.

(2) עמידות טובה לעייפות ועמידות בפני שחיקה.

עמידותו לעייפות גבוהה בהרבה מזו של שרף אפוקסי וגבוהה מזו של חומרי מתכת. סיבי גרפיט הם בעלי שימון עצמי ובעלי מקדם חיכוך קטן. כמות הבלאי קטנה פי 5-10 מזו של מוצרי אסבסט כלליים או צמות F-4.

(3) מוליכות תרמית טובה ועמידות בחום.

לפלסטיק מחוזק בסיבי פחמן יש מוליכות תרמית טובה, והחום הנוצר כתוצאה מחיכוך מתפזר בקלות. החלק הפנימי אינו קל להתחמם יתר על המידה ולאגור חום וניתן להשתמש בו כחומר איטום דינמי. באוויר, הוא יכול לפעול ביציבות בטווח טמפרטורות של -120~350°C. עם הפחתת תכולת המתכות האלקליות בסיבי הפחמן, ניתן להעלות את טמפרטורת השירות עוד יותר. בגז אינרטי, הטמפרטורה הניתנת להתאמה שלו יכולה להגיע לכ-2000°C, והוא יכול לעמוד בשינויים חדים בקור ובחום.

(4) עמידות טובה בפני רעידות.

זה לא קל להדהד או לרפרף, וזה גם חומר מצוין להפחתת רעידות והפחתת רעש.

יתרונות של CFRP

1. משקל קל

פלסטיק מסורתי מחוזק בסיבי זכוכית משתמש בסיבי זכוכית רציפים וב-70% סיבי זכוכית (משקל זכוכית/משקל כולל) ובדרך כלל יש להם צפיפות של 0.065 פאונד לאינץ' מעוקב. לתרכובת CFRP עם אותו משקל סיבים של 70% יש בדרך כלל צפיפות של 0.055 פאונד לאינץ' מעוקב.

2. חוזק גבוה

למרות שפולימרים מחוזקים בסיבי פחמן הם קלים, למרוכבים CFRP יש חוזק גבוה יותר וקשיחות גבוהה יותר ליחידת משקל מאשר למרוכבים בסיבי זכוכית. בהשוואה לחומרי מתכת, יתרון זה בולט יותר.

חסרונות של CFRP

1. עלות גבוהה

עלות הייצור של פלסטיק מחוזק בסיבי פחמן היא גבוהה מדי. מחירי סיבי הפחמן יכולים להשתנות באופן דרמטי בהתאם לתנאי השוק הנוכחיים (היצע וביקוש), סוג סיבי הפחמן (דרגה תעופה וחלל לעומת מסחרית) וגודל צרור הסיבים. על בסיס פאונד לפאונד, סיבי פחמן בתוליים יכולים להיות יקרים פי 5 עד 25 מסיבי זכוכית. הבדל זה גדול אף יותר כאשר משווים פלדה ל-CFRP.
2. מוליכות
זהו היתרון והחסרון של חומרים מרוכבים מסיבי פחמן. זה תלוי ביישום. סיבי פחמן הם מוליכים ביותר וסיבי זכוכית הם מבודדים. מוצרים רבים משתמשים בסיבי זכוכית במקום סיבי פחמן או מתכת מכיוון שהם דורשים בידוד קפדני. בייצור של שירותים, מוצרים רבים דורשים שימוש בסיבי זכוכית.

שימושים בפלסטיק מחוזק בסיבי פחמן

היישומים של פולימר מחוזק בסיבי פחמן הם רחבים, החל מחלקים מכניים ועד לחומרים צבאיים.

(1)כמו אריזה איטום
חומר PTFE מחוזק בסיבי פחמן יכול להפוך לטבעות איטום או אריזה עמידים בפני קורוזיה, שחיקה ועמידים בפני טמפרטורה גבוהה. כאשר משתמשים בו לאיטום סטטי, חיי השירות ארוכים יותר, יותר מפי 10 מאלה של אריזות אסבסט רגילות טבולים בשמן. הוא יכול לשמור על ביצועי איטום תחת שינויי עומס, קירור מהיר וחימום מהיר. ומכיוון שהחומר אינו מכיל חומרים קורוזיביים, לא תתרחש קורוזיה גולמית על המתכת.

(2)כמו חלקי טחינה
בזכות תכונות הסיכה העצמית שלו, ניתן להשתמש בו כמיסבים, גלגלי שיניים וטבעות בוכנה למטרות מיוחדות. כגון מיסבים משומנים ללא שמן עבור מכשירי תעופה ומקליטי הקלטה, גלגלי שיניים משומנים ללא שמן עבור קטרי דיזל חשמליים (כדי למנוע תאונות הנגרמות מדליפת שמן), טבעות בוכנה משומנות ללא שמן במדחסים וכו'. בנוסף, ניתן להשתמש בו גם כמיסבי הזזה או אטמים בתעשיות המזון והתרופות על ידי ניצול תכונותיו הלא רעילות.

(3) כחומרים מבניים לתעופה וחלל וטילים. הוא שימש לראשונה בייצור מטוסים כדי להפחית את משקל המטוס ולשפר את יעילות הטיסה. הוא משמש גם בתעשיות הכימיות, הנפט, החשמל, המכונות ותעשיות אחרות כאטם דינמי סיבובי או גומלין או כחומרי אטם סטטיים שונים.

ג'נגשי הוא מקצועןמפעל מכבש הידראולי בסין, המספק איכות גבוההמכבש הידראולי מרוכבליצירת מוצרי CFRP.