Med den kontinuerlige utviklingen av komposittmaterialer har det i tillegg til glassfiberforsterket plast, også dukket opp karbonfiberforsterket plast, borfiberforsterket plast osv. Karbonfiberforsterkede polymerkompositter (CFRP) er lette og sterke materialer som brukes til å produsere mange produkter vi bruker i hverdagen. Det er et begrep som brukes for å beskrive fiberforsterkede komposittmaterialer som bruker karbonfibre som hovedstrukturkomponent.
Innholdsfortegnelse:
1. Karbonfiberforsterket polymerstruktur
2. Støpemetoden for karbonfiberforsterket plast
3. Egenskaper til karbonfiberforsterket polymer
4. Fordeler med CFRP
5. Ulemper med CFRP
6. Bruksområder for karbonfiberforsterket plast
Karbonfiberforsterket polymerstruktur
Karbonfiberforsterket plast er et materiale som dannes ved å arrangere karbonfibermaterialer i en bestemt retning og bruke bundne polymermaterialer. Karbonfiberen har en ekstremt tynn diameter, omtrent 7 mikron, men styrken er ekstremt høy.
Den mest grunnleggende bestanddelen av karbonfiberforsterket komposittmateriale er karbonfiberfilament. Det grunnleggende råmaterialet for karbonfilament er prepolymer polyakrylonitril (PAN), rayon eller petroleumsbek. Karbonfilamentene blir deretter laget til karbonfiberstoffer ved hjelp av kjemiske og mekaniske metoder for karbonfiberdeler.
Bindingspolymeren er vanligvis en termoherdende harpiks som epoksy. Andre termoherdende eller termoplastiske polymerer brukes noen ganger, som polyvinylacetat eller nylon. I tillegg til karbonfibre kan kompositter også inneholde aramid Q, polyetylen med ultrahøy molekylvekt, aluminium eller glassfibre. Egenskapene til det endelige karbonfiberproduktet kan også påvirkes av typen tilsetningsstoffer som introduseres i bindingsmatrisen.
Støpemetoden for karbonfiberforsterket plast
Karbonfiberprodukter er hovedsakelig forskjellige på grunn av ulike prosesser. Det finnes mange metoder for å danne karbonfiberforsterkede polymermaterialer.
1. Håndoppleggsmetode
Delt inn i tørrmetoden (forhåndsforberedt verksted) og våtmetoden (fiberstoff og harpiks limt til bruk). Manuell oppleggsteknikk brukes også til å forberede prepregs for bruk i sekundære støpeprosesser som kompresjonsstøping. Denne metoden er der ark av karbonfiberstoff lamineres på en form for å danne sluttproduktet. Styrken og stivhetsegenskapene til det resulterende materialet optimaliseres ved å velge justering og veving av stofffibrene. Formen fylles deretter med epoksy og herdes med varme eller luft. Denne produksjonsmetoden brukes ofte for ikke-belastede deler, for eksempel motordeksler.
2. Vakuumformingsmetode
For laminert prepreg er det nødvendig å påføre trykk gjennom en bestemt prosess for å få det tett inntil formen, og for å herde og forme det under en viss temperatur og trykk. Vakuumposemetoden bruker en vakuumpumpe for å tømme innsiden av formingsposen slik at det negative trykket mellom posen og formen danner et trykk som gjør at komposittmaterialet er tett inntil formen.
Basert på vakuumposemetoden ble metoden med vakuumpose-autoklav senere utviklet. Autoklaver gir høyere trykk og varmeherder delen (i stedet for naturlig herding) enn metoder med kun vakuumposer. En slik del har en mer kompakt struktur, bedre overflatekvalitet, kan effektivt eliminere luftbobler (bobler vil i stor grad påvirke delens styrke), og den generelle kvaliteten er høyere. Faktisk er prosessen med vakuumposelegging lik den for mobiltelefonfilm som fester seg. Å eliminere luftbobler er en viktig oppgave.
3. Kompresjonsstøpemetode
Kompresjonsstøpinger en støpemetode som bidrar til masseproduksjon og masseproduksjon. Former er vanligvis laget av øvre og nedre deler, som vi kaller hannform og hunnform. Støpeprosessen går ut på å plassere en matte laget av prepregs i en metallmotform, og under påvirkning av en viss temperatur og trykk varmes matten opp og myknes i formhulrommet, flyter under trykk og fyller formhulrommet, og deretter støpes og herdes for å oppnå produkter. Denne metoden har imidlertid en høyere startkostnad enn de forrige, siden formen krever CNC-maskinering med svært høy presisjon.
4. Viklingsstøping
For deler med komplekse former eller i form av et rotasjonslegeme, kan en filamentvikler brukes til å lage delen ved å vikle filamentet på en dorn eller kjerne. Etter at viklingen er fullstendig herdet, fjern doren. For eksempel kan rørformede leddarmer som brukes i opphengssystemer lages ved hjelp av denne metoden.
5. Støping av harpiksoverføring
Resin transfer molding (RTM) er en relativt populær støpemetode. De grunnleggende trinnene er:
1. Plasser det forberedte, dårlige karbonfiberstoffet i formen og lukk formen.
2. Injisere flytende termoherdende harpiks i den, impregnere forsterkningmaterialet og herd.
Egenskaper til karbonfiberforsterket polymer
(1) Høy styrke og god elastisitet.
Den spesifikke styrken (det vil si forholdet mellom strekkfasthet og tetthet) til karbonfiber er 6 ganger så høy som for stål og 17 ganger så høy som for aluminium. Den spesifikke modulen (det vil si forholdet mellom Youngs modul og tetthet, som er et tegn på et objekts elastisitet) er mer enn 3 ganger så høy som for stål eller aluminium.
Med høy spesifikk styrke tåler den en stor arbeidsbelastning. Det maksimale arbeidstrykket kan nå 350 kg/cm2. I tillegg er den mer komprimerbar og elastisk enn ren F-4 og dens flettede materiale.
(2) God utmattingsmotstand og slitestyrke.
Utmattingsmotstanden er mye høyere enn for epoksyharpiks og høyere enn for metallmaterialer. Grafittfibre er selvsmørende og har en liten friksjonskoeffisient. Slitasjen er 5–10 ganger mindre enn for vanlige asbestprodukter eller F-4-flettet materiale.
(3) God varmeledningsevne og varmebestandighet.
Karbonfiberforsterket plast har god varmeledningsevne, og varmen som genereres av friksjon avgis lett. Interiøret er ikke lett å overopphetes og lagre varme, og kan brukes som et dynamisk tetningsmateriale. I luften kan det fungere stabilt i temperaturområdet -120~350°C. Med reduksjonen av alkalimetallinnholdet i karbonfiber kan driftstemperaturen økes ytterligere. I en inert gass kan den tilpasningsdyktige temperaturen nå rundt 2000°C, og den tåler skarpe endringer i kulde og varme.
(4) God vibrasjonsmotstand.
Det er ikke lett å gi gjenklang eller flagre, og det er også et utmerket materiale for vibrasjonsreduksjon og støyreduksjon.
Fordeler med CFRP
1. Lett vekt
Tradisjonell glassfiberforsterket plast bruker kontinuerlige glassfibre og 70 % glassfibre (glassvekt/totalvekt) og har vanligvis en tetthet på 0,065 pund per kubikktomme. En CFRP-kompositt med samme 70 % fibervekt har vanligvis en tetthet på 0,055 pund per kubikktomme.
2. Høy styrke
Selv om karbonfiberforsterkede polymerer er lette, har CFRP-kompositter høyere styrke og høyere stivhet per vektenhet enn glassfiberkompositter. Sammenlignet med metallmaterialer er denne fordelen mer åpenbar.
Ulemper med CFRP
1. Høye kostnader
Produksjonskostnadene for karbonfiberforsterket plast er uoverkommelige. Prisene på karbonfiber kan variere dramatisk avhengig av gjeldende markedsforhold (tilbud og etterspørsel), typen karbonfiber (luftfart vs. kommersiell kvalitet) og størrelsen på fiberbunten. Pund for pund kan jomfruelig karbonfiber være 5 til 25 ganger dyrere enn glassfiber. Denne forskjellen er enda større når man sammenligner stål med CFRP.
2. Konduktivitet
Dette er fordelene og ulempene med karbonfiberkomposittmaterialer. Det avhenger av bruksområdet. Karbonfibre er ekstremt ledende og glassfibre er isolerende. Mange produkter bruker glassfiber i stedet for karbonfiber eller metall fordi de krever streng isolasjon. I produksjon av verktøy krever mange produkter bruk av glassfibre.
Bruksområder for karbonfiberforsterket plast
Bruksområder for karbonfiberforsterket polymer spenner over mange forskjellige områder, fra mekaniske deler til militære materialer.
(1)som forsegling
Karbonfiberforsterket PTFE-materiale kan lages til korrosjonsbestandige, slitesterke og høytemperaturbestandige tetningsringer eller pakninger. Når det brukes til statisk tetting, er levetiden lengre, mer enn 10 ganger lengre enn for generell oljebehandlet asbestpakning. Den kan opprettholde tetningsytelsen under belastningsendringer og rask avkjøling og rask oppvarming. Og siden materialet ikke inneholder etsende stoffer, vil det ikke oppstå gropkorrosjon på metallet.
(2)som slipedeler
Ved å utnytte sine selvsmørende egenskaper kan den brukes som lagre, gir og stempelringer til spesielle formål. For eksempel oljefrie smurte lagre for flyinstrumenter og båndopptakere, oljefrie smurte gir for elektriske diesellokomotiver (for å unngå ulykker forårsaket av oljelekkasje), oljefrie smurte stempelringer på kompressorer, osv. I tillegg kan den også brukes som glidelagre eller tetninger i næringsmiddel- og farmasøytisk industri ved å dra nytte av sine giftfrie egenskaper.
(3) Som strukturmaterialer for romfart, luftfart og missiler. Det ble først brukt i flyproduksjon for å redusere vekten på flyet og forbedre flyeffektiviteten. Det brukes også i kjemisk industri, petroleum, elektrisk kraft, maskineri og andre industrier som en roterende eller frem- og tilbakegående dynamisk tetning eller forskjellige statiske tetningsmaterialer.
Zhengxi er profesjonellhydraulisk pressefabrikk i Kina, som gir høy kvalitetkompositt hydraulisk pressefor å danne CFRP-produkter.
Publisert: 25. mai 2023
