Wraz z ciągłym rozwojem materiałów kompozytowych, oprócz tworzyw sztucznych wzmocnionych włóknem szklanym, pojawiły się również tworzywa sztuczne wzmocnione włóknem węglowym, borowym itp. Kompozyty polimerowe wzmocnione włóknem węglowym (CFRP) to lekkie i wytrzymałe materiały wykorzystywane do produkcji wielu produktów codziennego użytku. Termin ten odnosi się do materiałów kompozytowych wzmocnionych włóknem węglowym, w których głównym elementem konstrukcyjnym są włókna węglowe.
Spis treści:
1. Struktura polimerowa wzmocniona włóknem węglowym
2. Metoda formowania tworzywa sztucznego wzmocnionego włóknem węglowym
3. Właściwości polimeru wzmocnionego włóknem węglowym
4. Zalety CFRP
5. Wady CFRP
6. Zastosowania tworzyw sztucznych wzmocnionych włóknem węglowym
Struktura polimerowa wzmocniona włóknem węglowym
Tworzywo sztuczne wzmocnione włóknem węglowym to materiał powstający poprzez ułożenie włókien węglowych w określonym kierunku i zastosowanie połączonych materiałów polimerowych. Średnica włókna węglowego jest niezwykle mała, około 7 mikronów, ale jego wytrzymałość jest niezwykle wysoka.
Podstawowym składnikiem kompozytu wzmacnianego włóknem węglowym jest włókno węglowe. Podstawowym surowcem do produkcji włókien węglowych jest prepolimer poliakrylonitrylu (PAN), wiskoza lub smoła naftowa. Włókna węglowe są następnie przetwarzane metodami chemicznymi i mechanicznymi w tkaniny z włókna węglowego przeznaczone do produkcji elementów z włókna węglowego.
Polimerem wiążącym jest zazwyczaj żywica termoutwardzalna, taka jak epoksyd. Czasami stosuje się inne polimery termoutwardzalne lub termoplastyczne, takie jak polioctan winylu czy nylon. Oprócz włókien węglowych, kompozyty mogą również zawierać aramid Q, polietylen o ultrawysokiej masie cząsteczkowej, aluminium lub włókna szklane. Na właściwości finalnego produktu z włókna węglowego może również wpływać rodzaj dodatków wprowadzonych do matrycy wiążącej.
Metoda formowania tworzyw sztucznych wzmocnionych włóknem węglowym
Produkty z włókna węglowego różnią się przede wszystkim ze względu na odmienne procesy. Istnieje wiele metod formowania materiałów polimerowych wzmocnionych włóknem węglowym.
1. Metoda układania ręcznego
Dzieli się na metodę suchą (w warsztacie z gotowymi elementami) i mokrą (tkanina z włókien i żywica klejone do użycia). Laminowanie ręczne jest również stosowane do przygotowywania prepregów do wykorzystania w procesach formowania wtórnego, takich jak formowanie tłoczne. W tej metodzie arkusze tkaniny z włókna węglowego są laminowane na formie w celu utworzenia produktu końcowego. Wytrzymałość i sztywność uzyskanego materiału są optymalizowane poprzez dobór ułożenia i splotu włókien tkaniny. Forma jest następnie wypełniana żywicą epoksydową i utwardzana ciepłem lub powietrzem. Ta metoda produkcji jest często stosowana do produkcji części nienarażonych na naprężenia, takich jak pokrywy silników.
2. Metoda formowania próżniowego
W przypadku laminowanego prepregu konieczne jest zastosowanie odpowiedniego ciśnienia, aby zbliżyć go do formy, a następnie utwardzić i ukształtować w określonej temperaturze i ciśnieniu. Metoda worka próżniowego wykorzystuje pompę próżniową do opróżnienia wnętrza worka formującego, tak aby podciśnienie między workiem a formą wytworzyło ciśnienie, dzięki któremu materiał kompozytowy znajdzie się blisko formy.
Na podstawie metody worka próżniowego, później opracowano metodę formowania worka próżniowego w autoklawie. Autoklawy zapewniają wyższe ciśnienie i utwardzają element w wysokiej temperaturze (zamiast naturalnego utwardzania) niż metody wyłącznie z workiem próżniowym. Taki element ma bardziej zwartą strukturę, lepszą jakość powierzchni, skutecznie eliminuje pęcherzyki powietrza (które znacząco wpływają na wytrzymałość elementu), a ogólna jakość jest wyższa. W rzeczywistości proces pakowania w worki próżniowe jest podobny do procesu naklejania folii na telefony komórkowe. Usunięcie pęcherzyków powietrza jest kluczowym zadaniem.
3. Metoda formowania kompresyjnego
Formowanie kompresyjneFormowanie metodą wtryskową to metoda formowania, która sprzyja produkcji masowej. Formy składają się zazwyczaj z części górnej i dolnej, które nazywamy formą męską i formą żeńską. Proces formowania polega na umieszczeniu maty z prepregów w metalowej przeciwformie. Pod wpływem określonej temperatury i ciśnienia mata jest podgrzewana i uplastyczniana w gnieździe formy, przepływa pod ciśnieniem i wypełnia gnieździe formy, a następnie formowana i utwardzana w celu uzyskania produktu. Metoda ta charakteryzuje się jednak wyższym kosztem początkowym niż poprzednie, ponieważ forma wymaga bardzo precyzyjnej obróbki CNC.
4. Formowanie nawijania
W przypadku części o złożonych kształtach lub w kształcie bryły obrotowej, nawijarka filamentu może być używana do nawijania filamentu na trzpień lub rdzeń. Po całkowitym utwardzeniu nawiniętego filamentu należy zdjąć trzpień. Metodą tą można na przykład wykonać rurowe ramiona przegubowe stosowane w układach zawieszenia.
5. Formowanie transferowe żywicy
Formowanie metodą transferu żywicy (RTM) to stosunkowo popularna metoda formowania. Jej podstawowe etapy to:
1. Umieść przygotowaną tkaninę z włókna węglowego w formie i zamknij formę.
2. Wstrzyknąć do niego ciekłą żywicę termoutwardzalną, zaimpregnować materiał wzmacniający i utwardzić.
Właściwości polimeru wzmocnionego włóknem węglowym
(1) Wysoka wytrzymałość i dobra elastyczność.
Wytrzymałość właściwa (czyli stosunek wytrzymałości na rozciąganie do gęstości) włókna węglowego jest 6 razy większa niż stali i 17 razy większa niż aluminium. Moduł sprężystości właściwej (czyli stosunek modułu Younga do gęstości, będący wskaźnikiem sprężystości obiektu) jest ponad 3 razy większy niż stali lub aluminium.
Dzięki wysokiej wytrzymałości właściwej wytrzymuje duże obciążenia robocze. Jego maksymalne ciśnienie robocze może sięgać 350 kg/cm². Ponadto jest bardziej ściśliwy i sprężysty niż czysty F-4 i jego oplot.
(2) Dobra odporność na zmęczenie i zużycie.
Jego odporność na zmęczenie jest znacznie wyższa niż żywicy epoksydowej i wyższa niż materiałów metalowych. Włókna grafitowe są samosmarujące i charakteryzują się niskim współczynnikiem tarcia. Stopień zużycia jest 5-10 razy mniejszy niż w przypadku zwykłych produktów azbestowych lub oplotów F-4.
(3) Dobra przewodność cieplna i odporność na ciepło.
Tworzywa sztuczne wzmocnione włóknem węglowym charakteryzują się dobrą przewodnością cieplną, a ciepło generowane przez tarcie jest łatwo rozpraszane. Wnętrze jest odporne na przegrzanie i magazynuje ciepło, dzięki czemu może być stosowane jako dynamiczny materiał uszczelniający. W powietrzu może stabilnie pracować w zakresie temperatur od -120 do 350°C. Wraz ze zmniejszeniem zawartości metali alkalicznych we włóknie węglowym, temperatura pracy może ulec dalszemu podwyższeniu. W atmosferze gazu obojętnego jego temperatura adaptacyjna może osiągnąć około 2000°C, a materiał jest odporny na gwałtowne zmiany temperatury i temperatury.
(4) Dobra odporność na wibracje.
Materiał ten nie jest podatny na rezonans lub trzepotanie, a ponadto doskonale nadaje się do redukcji drgań i hałasu.
Zalety CFRP
1. Lekka waga
Tradycyjne tworzywa sztuczne wzmocnione włóknem szklanym wykorzystują ciągłe włókna szklane i 70% włókien szklanych (masa szkła/masa całkowita) i zazwyczaj mają gęstość 0,065 funta na cal sześcienny. Kompozyt CFRP z taką samą 70% masą włókien ma zazwyczaj gęstość 0,055 funta na cal sześcienny.
2. Wysoka wytrzymałość
Chociaż polimery wzmocnione włóknem węglowym są lekkie, kompozyty CFRP charakteryzują się większą wytrzymałością i sztywnością na jednostkę masy niż kompozyty z włókna szklanego. W porównaniu z materiałami metalowymi ta zaleta jest bardziej oczywista.
Wady CFRP
1. Wysoki koszt
Koszt produkcji tworzyw sztucznych wzmocnionych włóknem węglowym jest zaporowy. Ceny włókna węglowego mogą się znacznie różnić w zależności od aktualnych warunków rynkowych (podaży i popytu), rodzaju włókna węglowego (do zastosowań lotniczych czy komercyjnych) oraz rozmiaru wiązki włókien. W przeliczeniu na funt, czyste włókno węglowe może być od 5 do 25 razy droższe niż włókno szklane. Różnica ta jest jeszcze większa w porównaniu ze stalą i CFRP.
2. Przewodność
To jest zaleta i wada materiałów kompozytowych z włókna węglowego. Zależy to od zastosowania. Włókna węglowe są niezwykle przewodzące, a włókna szklane izolują. Wiele produktów wykorzystuje włókno szklane zamiast włókna węglowego lub metalu, ponieważ wymagają one rygorystycznej izolacji. W produkcji mediów wiele produktów wymaga zastosowania włókien szklanych.
Zastosowania tworzyw sztucznych wzmocnionych włóknem węglowym
Zastosowania polimerów wzmocnionych włóknem węglowym są bardzo szerokie: od części mechanicznych po materiały wojskowe.
(1)jako uszczelnienie
Materiał PTFE wzmocniony włóknem węglowym może być wykorzystywany do produkcji odpornych na korozję, zużycie i wysokie temperatury pierścieni uszczelniających lub uszczelnień. Zastosowany do uszczelnień statycznych, charakteryzuje się ponad dziesięciokrotnie dłuższą żywotnością niż standardowe uszczelnienia azbestowe zanurzone w oleju. Utrzymuje on szczelność przy zmianach obciążenia oraz szybkim chłodzeniu i nagrzewaniu. Ponieważ materiał nie zawiera substancji korozyjnych, nie występuje korozja wżerowa metalu.
(2)jako części szlifierskie
Dzięki swoim właściwościom samosmarującym może być stosowany jako łożyska, koła zębate i pierścienie tłokowe do zastosowań specjalnych, takich jak łożyska smarowane bezolejowo w przyrządach lotniczych i magnetofonach, przekładnie smarowane bezolejowo w lokomotywach spalinowych z napędem elektrycznym (aby uniknąć wypadków spowodowanych wyciekiem oleju), pierścienie tłokowe smarowane bezolejowo w sprężarkach itp. Ponadto, dzięki swoim nietoksycznym właściwościom, może być również stosowany jako łożyska ślizgowe lub uszczelnienia w przemyśle spożywczym i farmaceutycznym.
(3) Jako materiał konstrukcyjny w przemyśle lotniczym, kosmicznym i rakietowym. Pierwotnie był stosowany w produkcji samolotów w celu zmniejszenia ich masy i poprawy wydajności lotu. Jest również stosowany w przemyśle chemicznym, naftowym, energetycznym, maszynowym i innych gałęziach przemysłu jako uszczelnienie dynamiczne obrotowe lub posuwisto-zwrotne, a także jako różne materiały na uszczelnienia statyczne.
Zhengxi jest profesjonalistąfabryka pras hydraulicznych w Chinach, zapewniając wysoką jakośćprasa hydrauliczna kompozytowado formowania wyrobów z CFRP.
Czas publikacji: 25 maja 2023 r.
