Odată cu dezvoltarea continuă a materialelor compozite, pe lângă materialele plastice armate cu fibre de sticlă, au apărut materiale plastice armate cu fibre de carbon, materiale plastice armate cu fibre de bor etc. Compozitele polimerice armate cu fibre de carbon (CFRP) sunt materiale ușoare și rezistente, utilizate pentru fabricarea multor produse pe care le folosim în viața de zi cu zi. Este un termen folosit pentru a descrie materialele compozite armate cu fibre care utilizează fibrele de carbon ca principală componentă structurală.
Cuprins:
1. Structură polimerică armată cu fibră de carbon
2. Metoda de turnare a plasticului armat cu fibră de carbon
3. Proprietățile polimerului armat cu fibră de carbon
4. Avantajele CFRP
5. Dezavantajele CFRP
6. Utilizări ale plasticului armat cu fibră de carbon
Structură polimerică armată cu fibră de carbon
Plasticul armat cu fibră de carbon este un material format prin aranjarea materialelor din fibră de carbon într-o anumită direcție și utilizarea materialelor polimerice legate. Diametrul fibrei de carbon este extrem de subțire, de aproximativ 7 microni, dar rezistența sa este extrem de mare.
Cea mai elementară unitate constitutivă a materialului compozit armat cu fibră de carbon este filamentul din fibră de carbon. Materia primă de bază a filamentului de carbon este prepolimerul poliacrilonitril (PAN), raionul sau smoala de petrol. Filamentele de carbon sunt apoi transformate în țesături din fibră de carbon prin metode chimice și mecanice pentru piesele din fibră de carbon.
Polimerul de legătură este de obicei o rășină termorezistentă, cum ar fi rășina epoxidică. Uneori se utilizează și alți polimeri termorezistenți sau termoplastici, cum ar fi acetatul de polivinil sau nailonul. Pe lângă fibrele de carbon, compozitele pot conține și aramidă Q, polietilenă cu greutate moleculară ultra-mare, aluminiu sau fibre de sticlă. Proprietățile produsului final din fibră de carbon pot fi, de asemenea, afectate de tipul de aditivi introduși în matricea de legătură.
Metoda de turnare a plasticului armat cu fibră de carbon
Produsele din fibră de carbon diferă în principal datorită proceselor diferite. Există numeroase metode de formare a materialelor polimerice armate cu fibră de carbon.
1. Metoda de așezare manuală
Împărțită în metoda uscată (pre-pregătită în atelier) și metoda umedă (țesătură din fibră și rășină lipite pentru utilizare). Așezarea manuală este, de asemenea, utilizată pentru a pregăti preimpregnatele pentru utilizare în procese secundare de turnare, cum ar fi turnarea prin compresie. Această metodă constă în laminatul pe foi de țesătură din fibră de carbon pe o matriță pentru a forma produsul final. Proprietățile de rezistență și rigiditate ale materialului rezultat sunt optimizate prin selectarea alinierii și țesăturii fibrelor de țesătură. Matrița este apoi umplută cu rășină epoxidică și întărită cu căldură sau aer. Această metodă de fabricație este adesea utilizată pentru piese netensionate, cum ar fi capacele motorului.
2. Metoda de formare în vid
Pentru prepreg-ul laminat, este necesară aplicarea presiunii printr-un anumit proces pentru a-l aduce aproape de matriță și pentru a-l întări și modela la o anumită temperatură și presiune. Metoda sacului vidat utilizează o pompă de vid pentru a evacua interiorul sacului de formare, astfel încât presiunea negativă dintre sac și matriță să formeze o presiune astfel încât materialul compozit să fie aproape de matriță.
Pe baza metodei cu pungă vidată, a fost derivată ulterior metoda de formare cu pungă vidată în autoclavă. Autoclavele oferă presiuni mai mari și întăresc piesa termic (în loc de întărire naturală) decât metodele cu pungă vidată. O astfel de piesă are o structură mai compactă, o calitate a suprafeței mai bună, poate elimina eficient bulele de aer (bulele vor afecta foarte mult rezistența piesei), iar calitatea generală este mai mare. De fapt, procesul de însacuire în vid este similar cu cel de lipire a foliei pentru telefoane mobile. Eliminarea bulelor de aer este o sarcină majoră.
3. Metoda de turnare prin compresie
Turnare prin compresieeste o metodă de turnare care favorizează producția de masă și producția de masă. Matrițele sunt de obicei realizate din părți superioare și inferioare, pe care le numim matriță masculină și matriță feminină. Procesul de turnare constă în introducerea covorașului din preimpregnate în contra-matrița metalică, iar sub acțiunea unei anumite temperaturi și presiuni, covorașul este încălzit și plastifiat în cavitatea matriței, curge sub presiune și umple cavitatea matriței, apoi se turnează și se întărește pentru a obține produse. Cu toate acestea, această metodă are un cost inițial mai mare decât cele anterioare, deoarece matrița necesită prelucrare CNC de foarte mare precizie.
4. Turnare prin înfășurare
Pentru piese cu forme complexe sau în forma unui corp de revoluție, se poate utiliza un aparat de înfășurare a filamentului pentru a realiza piesa prin înfășurarea filamentului pe un dorn sau miez. După înfășurare, se întărește complet și se îndepărtează dornul. De exemplu, brațele tubulare de îmbinare utilizate în sistemele de suspensie pot fi realizate folosind această metodă.
5. Turnare prin transfer de rășină
Turnarea prin transfer de rășină (RTM) este o metodă de turnare relativ populară. Etapele sale de bază sunt:
1. Așezați materialul din fibră de carbon preparat în matriță și închideți matrița.
2. Injectați rășină termorezistentă lichidă în acesta, impregnați materialul de armare și întăriți.
Proprietățile polimerului armat cu fibră de carbon
(1) Rezistență ridicată și elasticitate bună.
Rezistența specifică (adică raportul dintre rezistența la tracțiune și densitate) a fibrei de carbon este de 6 ori mai mare decât cea a oțelului și de 17 ori mai mare decât cea a aluminiului. Modulul specific (adică raportul dintre modulul lui Young și densitate, care este un semn al elasticității unui obiect) este de peste 3 ori mai mare decât cel al oțelului sau aluminiului.
Cu o rezistență specifică ridicată, poate suporta o sarcină de lucru mare. Presiunea maximă de lucru poate ajunge la 350 kg/cm2. În plus, este mai compresibilă și mai rezistentă decât F-4 pur și împletitura sa.
(2) Rezistență bună la oboseală și la uzură.
Rezistența sa la oboseală este mult mai mare decât cea a rășinii epoxidice și mai mare decât cea a materialelor metalice. Fibrele de grafit sunt autolubrifiante și au un coeficient de frecare mic. Uzura este de 5-10 ori mai mică decât cea a produselor din azbest obișnuite sau a împletiturilor F-4.
(3) Conductivitate termică bună și rezistență la căldură.
Materialele plastice armate cu fibră de carbon au o conductivitate termică bună, iar căldura generată de frecare se disipă ușor. Interiorul nu se supraîncălzește ușor și nu stochează căldura, putând fi utilizate ca material de etanșare dinamică. În aer, pot funcționa stabil în intervalul de temperatură de -120~350°C. Odată cu reducerea conținutului de metale alcaline din fibra de carbon, temperatura de funcționare poate fi crescută și mai mult. Într-un gaz inert, temperatura sa adaptabilă poate ajunge la aproximativ 2000°C și poate rezista la schimbări bruște de temperatură și temperatură.
(4) Rezistență bună la vibrații.
Nu rezonează sau flutură ușor și este, de asemenea, un material excelent pentru reducerea vibrațiilor și a zgomotului.
Avantajele CFRP
1. Greutate redusă
Materialele plastice tradiționale armate cu fibră de sticlă utilizează fibre de sticlă continue și 70% fibre de sticlă (greutatea sticlei/greutatea totală) și au de obicei o densitate de 0,065 livre pe inch cub. Un compozit CFRP cu aceeași greutate de 70% fibre are de obicei o densitate de 0,055 livre pe inch cub.
2. Rezistență ridicată
Deși polimerii armați cu fibră de carbon sunt ușoare, compozitele CFRP au o rezistență și o rigiditate pe unitatea de greutate mai mari decât compozitele din fibră de sticlă. Comparativ cu materialele metalice, acest avantaj este mai evident.
Dezavantajele CFRP
1. Cost ridicat
Costul de producție al plasticului armat cu fibră de carbon este prohibitiv. Prețurile fibrei de carbon pot varia dramatic în funcție de condițiile actuale ale pieței (ofertă și cerere), tipul de fibră de carbon (grad aerospațial vs. comercial) și dimensiunea fasciculului de fibre. Raportat la prețul de liră, fibra de carbon virgină poate fi de 5 până la 25 de ori mai scumpă decât fibra de sticlă. Această diferență este și mai mare atunci când se compară oțelul cu CFRP.
2. Conductivitate
Acesta este avantajul și dezavantajul materialelor compozite din fibră de carbon. Depinde de aplicație. Fibrele de carbon sunt extrem de conductive, iar fibrele de sticlă sunt izolatoare. Multe produse folosesc fibră de sticlă în loc de fibră de carbon sau metal, deoarece necesită o izolație strictă. În producția de utilități, multe produse necesită utilizarea fibrelor de sticlă.
Utilizări ale plasticului armat cu fibră de carbon
Aplicațiile polimerului armat cu fibră de carbon sunt foarte variate, de la piese mecanice la materiale militare.
(1)ca ambalaj de etanșare
Materialul PTFE armat cu fibră de carbon poate fi transformat în inele de etanșare sau garnituri rezistente la coroziune, uzură și temperaturi ridicate. Atunci când este utilizat pentru etanșare statică, durata de viață este mai lungă, de peste 10 ori mai lungă decât cea a garniturilor generale din azbest imersat în ulei. Acesta poate menține performanța de etanșare în condiții de schimbări de sarcină, răcire rapidă și încălzire rapidă. Și deoarece materialul nu conține substanțe corozive, nu va apărea coroziune prin pitting pe metal.
(2)ca piese de șlefuit
Utilizând proprietățile sale autolubrifiante, poate fi utilizat ca rulmenți, angrenaje și segmenți de piston în scopuri speciale. Cum ar fi rulmenți lubrifiați fără ulei pentru instrumente de aviație și magnetofoane, angrenaje lubrifiate fără ulei pentru locomotive diesel cu transmisie electrică (pentru a evita accidentele cauzate de scurgeri de ulei), segmenți de piston lubrifiați fără ulei la compresoare etc. În plus, poate fi utilizat și ca rulmenți glisanți sau etanșări în industria alimentară și farmaceutică, profitând de caracteristicile sale non-toxice.
(3) Ca materiale structurale pentru industria aerospațială, aviație și rachete. A fost utilizat pentru prima dată în fabricarea aeronavelor pentru a reduce greutatea aeronavei și a îmbunătăți eficiența zborului. De asemenea, este utilizat în industria chimică, petrolieră, electrică, utilaje și alte industrii ca etanșare dinamică rotativă sau alternativă sau diverse materiale de etanșare statică.
Zhengxi este un profesionistfabrică de prese hidraulice din China, oferind o calitate înaltăpresă hidraulică compozităpentru formarea produselor CFRP.
Data publicării: 25 mai 2023
