С непрерывным развитием композитных материалов, помимо стекловолоконных пластиков, появились углеродно-волоконные пластики, пластики, армированные бором, и другие. Углеволоконные полимерные композиты (CFRP) — это легкие и прочные материалы, используемые для производства многих изделий, которыми мы пользуемся в повседневной жизни. Это термин, используемый для описания армированных волокнами композитных материалов, в которых углеродные волокна являются основным структурным компонентом.
Содержание:
1. Полимерная структура, армированная углеродным волокном
2. Метод формования углеволокнистого армированного пластика
3. Свойства полимера, армированного углеродным волокном
4. Преимущества углепластика
5. Недостатки углепластика
6. Применение армированного углеродным волокном пластика
Структура из полимера, армированного углеродным волокном
Углеволокнистый армированный пластик — это материал, образованный путем укладки углеродных волокон в определенном направлении и использования связанных полимерных материалов. Диаметр углеродного волокна чрезвычайно мал, около 7 микрон, но при этом его прочность чрезвычайно высока.
Наиболее основным компонентом композитного материала, армированного углеродным волокном, является углеродное волокно. В качестве основного сырья для углеродного волокна используется предполимер полиакрилонитрил (ПАН), вискоза или нефтяной битум. Затем из углеродных волокон химическими и механическими методами изготавливают углеродные ткани для деталей из углеродного волокна.
В качестве связующего полимера обычно используется термореактивная смола, например, эпоксидная. Иногда применяются и другие термореактивные или термопластичные полимеры, такие как поливинилацетат или нейлон. Помимо углеродных волокон, композиты могут также содержать арамид Q, сверхвысокомолекулярный полиэтилен, алюминий или стекловолокно. На свойства конечного изделия из углеродного волокна также может влиять тип добавок, вводимых в связующую матрицу.
Метод формования углеволокнистого армированного пластика
Изделия из углеродного волокна различаются главным образом из-за различных технологических процессов. Существует множество методов получения полимерных материалов, армированных углеродным волокном.
1. Метод ручной укладки
Методы ручного формования делятся на сухие (предварительно подготовленные в цехе) и влажные (волокнистая ткань и смола, склеенные непосредственно перед использованием). Ручное формование также используется для подготовки препрегов для использования во вторичных процессах формования, таких как компрессионное формование. В этом методе листы углеродного волокна ламинируются на форму для формирования конечного изделия. Прочностные и жесткостные свойства полученного материала оптимизируются путем выбора ориентации и переплетения волокон ткани. Затем форма заполняется эпоксидной смолой и отверждается с помощью тепла или воздуха. Этот метод производства часто используется для ненапряженных деталей, таких как крышки двигателей.
2. Метод вакуумного формования
Для ламинированного препрега необходимо приложить давление посредством определенного процесса, чтобы он плотно прилегал к форме, а затем отверждать и формовать его при определенной температуре и давлении. Метод вакуумного мешка использует вакуумный насос для откачки воздуха из внутреннего пространства формовочного мешка, так что отрицательное давление между мешком и формой создает давление, благодаря которому композитный материал плотно прилегает к форме.
На основе метода вакуумной формовки позже был разработан метод вакуумной формовки в автоклаве. Автоклавы обеспечивают более высокое давление и термообработку детали (вместо естественного отверждения), чем методы только вакуумной формовки. Такая деталь имеет более компактную структуру, лучшее качество поверхности, позволяет эффективно устранять пузырьки воздуха (пузырьки значительно влияют на прочность детали), и общее качество выше. Фактически, процесс вакуумной формовки аналогичен процессу приклеивания пленки к мобильному телефону. Устранение пузырьков воздуха является важной задачей.
3. Метод компрессионного формования
компрессионное формованиеЭто метод формования, благоприятный для массового производства. Формы обычно состоят из верхней и нижней частей, которые называются мужской и женской формами. Процесс формования заключается в помещении заготовки из препрегов в металлическую контрформу, где под действием определенной температуры и давления заготовка нагревается и пластифицируется в полости формы, растекается под давлением и заполняет полость формы, после чего происходит формование и отверждение для получения изделия. Однако этот метод имеет более высокую первоначальную стоимость, чем предыдущие, поскольку для изготовления формы требуется высокоточная обработка на станках с ЧПУ.
4. Намоточная формовка
Для деталей сложной формы или в форме вращающегося тела можно использовать устройство для намотки нити, при котором нить наматывается на оправку или сердечник. После завершения намотки нить отверждается, и оправка снимается. Например, трубчатые шарнирные рычаги, используемые в системах подвески, могут быть изготовлены этим методом.
5. Формование методом переноса смолы
Формование методом переноса смолы (RTM) — относительно популярный метод формования. Его основные этапы включают:
1. Поместите подготовленную углеродную ткань в форму и закройте форму.
2. Ввести в него жидкую термореактивную смолу, пропитать армирующий материал и отвердить.
Свойства полимера, армированного углеродным волокном
(1) Высокая прочность и хорошая эластичность.
Удельная прочность (то есть отношение предела прочности на растяжение к плотности) углеродного волокна в 6 раз выше, чем у стали, и в 17 раз выше, чем у алюминия. Удельный модуль упругости (то есть отношение модуля Юнга к плотности, являющееся показателем упругости объекта) более чем в 3 раза выше, чем у стали или алюминия.
Обладая высокой удельной прочностью, он способен выдерживать большие рабочие нагрузки. Его максимальное рабочее давление может достигать 350 кг/см². Кроме того, он более сжимаем и упруг, чем чистый F-4 и его оплетка.
(2) Хорошая усталостная прочность и износостойкость.
Его усталостная прочность значительно выше, чем у эпоксидной смолы, и выше, чем у металлических материалов. Графитовые волокна обладают самосмазывающими свойствами и малым коэффициентом трения. Износ в 5-10 раз меньше, чем у обычных асбестовых изделий или оплетки F-4.
(3) Хорошая теплопроводность и термостойкость.
Углеволокнистые армированные пластики обладают хорошей теплопроводностью, и тепло, выделяемое при трении, легко рассеивается. Внутренняя поверхность не склонна к перегреву и накоплению тепла, поэтому их можно использовать в качестве динамического уплотнительного материала. На воздухе они стабильно работают в диапазоне температур от -120 до 350 °C. С уменьшением содержания щелочных металлов в углеродном волокне рабочая температура может быть дополнительно повышена. В инертном газе их адаптируемая температура может достигать около 2000 °C, и они способны выдерживать резкие перепады температуры.
(4) Хорошая вибростойкость.
Этот материал не склонен к резонансу или вибрациям, а также является превосходным материалом для снижения вибрации и шума.
Преимущества углепластика
1. Легкий вес
Традиционные стекловолоконные армированные пластики используют непрерывные стекловолокна и содержат 70% стекловолокна (вес стекловолокна/общий вес) и обычно имеют плотность 0,065 фунта на кубический дюйм. Композит из углеродного волокна с тем же содержанием 70% волокна обычно имеет плотность 0,055 фунта на кубический дюйм.
2. Высокая прочность
Несмотря на малый вес армированных углеродным волокном полимеров, композиты из CFRP обладают большей прочностью и жесткостью на единицу веса, чем композиты из стекловолокна. По сравнению с металлическими материалами это преимущество более очевидно.
Недостатки углепластика
1. Высокая стоимость
Стоимость производства углепластика непомерно высока. Цены на углеволокно могут сильно варьироваться в зависимости от текущих рыночных условий (спроса и предложения), типа углеволокна (аэрокосмический или коммерческий) и размера пучка волокон. В пересчете на единицу веса первичное углеволокно может быть в 5-25 раз дороже стекловолокна. Эта разница еще больше при сравнении стали и углепластика.
2. Проводимость
Это преимущества и недостатки композитных материалов из углеродного волокна. Все зависит от области применения. Углеродные волокна обладают высокой проводимостью, а стекловолокно – изоляционными свойствами. Во многих изделиях вместо углеродного волокна или металла используется стекловолокно, поскольку они требуют жесткой изоляции. В производстве коммунальных услуг во многих изделиях требуется использование стекловолокна.
Применение армированного углеродным волокном пластика
Полимеры, армированные углеродным волокном, находят широкое применение в самых разных областях, от механических деталей до военных материалов.
(1)в качестве герметизирующей упаковки
Углеродсодержащий армированный ПТФЭ материал может использоваться для изготовления коррозионностойких, износостойких и высокотемпературных уплотнительных колец или набивки. При использовании для статического уплотнения срок службы увеличивается более чем в 10 раз по сравнению с обычными асбестовыми набивками, погруженными в масло. Он сохраняет герметичность при изменении нагрузки, а также при быстром охлаждении и нагреве. Кроме того, поскольку материал не содержит коррозионных веществ, на металле не возникает точечной коррозии.
(2)в качестве шлифовальных деталей
Благодаря своим самосмазывающимся свойствам, его можно использовать в качестве подшипников, шестерен и поршневых колец для специальных целей. Например, в качестве безмасляных смазываемых подшипников для авиационных приборов и магнитофонов, безмасляных смазываемых шестерен для дизель-локомотивов с электроприводом (во избежание аварий, вызванных утечкой масла), безмасляных смазываемых поршневых колец на компрессорах и т. д. Кроме того, благодаря своим нетоксичным свойствам, его можно использовать в качестве подшипников скольжения или уплотнений в пищевой и фармацевтической промышленности.
(3) В качестве конструкционных материалов для аэрокосмической, авиационной и ракетной промышленности. Впервые был использован в авиастроении для снижения веса самолета и повышения эффективности полета. Также используется в химической, нефтяной, электроэнергетической, машиностроительной и других отраслях промышленности в качестве вращающегося или возвратно-поступательного динамического уплотнения или различных материалов для статических уплотнений.
Чжэнси — профессионал.Завод гидравлических прессов в Китаеобеспечивая высокое качествокомпозитный гидравлический прессдля изготовления изделий из углепластика.
Дата публикации: 25 мая 2023 г.
