S neustálym vývojom kompozitných materiálov sa okrem plastov vystužených sklenenými vláknami objavili aj plasty vystužené uhlíkovými vláknami, plasty vystužené bórovými vláknami atď. Polymérne kompozity vystužené uhlíkovými vláknami (CFRP) sú ľahké a pevné materiály, ktoré sa používajú na výrobu mnohých produktov, ktoré používame v každodennom živote. Je to termín používaný na označenie kompozitných materiálov vystužených vláknami, ktoré používajú uhlíkové vlákna ako hlavnú konštrukčnú zložku.
Obsah:
1. Štruktúra polyméru vystuženého uhlíkovými vláknami
2. Metóda tvarovania plastu vystuženého uhlíkovými vláknami
3. Vlastnosti polyméru vystuženého uhlíkovými vláknami
4. Výhody CFRP
5. Nevýhody CFRP
6. Použitie plastu vystuženého uhlíkovými vláknami
Štruktúra polyméru vystuženého uhlíkovými vláknami
Plast vystužený uhlíkovými vláknami je materiál vytvorený usporiadaním uhlíkových vlákien v určitom smere a použitím spojených polymérnych materiálov. Priemer uhlíkových vlákien je extrémne tenký, približne 7 mikrónov, ale ich pevnosť je extrémne vysoká.
Najzákladnejšou zložkou kompozitného materiálu vystuženého uhlíkovými vláknami je uhlíkové vlákno. Základnou surovinou pre uhlíkové vlákno je prepolymér polyakrylonitril (PAN), umelý vlákno alebo ropná smola. Uhlíkové vlákna sa potom chemickými a mechanickými metódami spracúvajú na uhlíkové vláknité tkaniny pre uhlíkové vláknité diely.
Spojivovým polymérom je zvyčajne termosetová živica, ako je epoxidová živica. Niekedy sa používajú aj iné termosetické alebo termoplastické polyméry, ako je polyvinylacetát alebo nylon. Okrem uhlíkových vlákien môžu kompozity obsahovať aj aramid Q, polyetylén s ultravysokou molekulovou hmotnosťou, hliník alebo sklenené vlákna. Vlastnosti konečného produktu z uhlíkových vlákien môžu byť ovplyvnené aj typom prísad zavedených do spojovacej matrice.
Metóda formovania plastu vystuženého uhlíkovými vláknami
Výrobky z uhlíkových vlákien sa líšia najmä kvôli rôznym procesom. Existuje mnoho metód na výrobu polymérnych materiálov vystužených uhlíkovými vláknami.
1. Metóda ručného skladania
Delí sa na suchú metódu (vopred pripravená dielňa) a mokrú metódu (vláknitá tkanina a živica zlepené pred použitím). Ručné vrstvenie sa tiež používa na prípravu prepregov na použitie v procesoch sekundárneho tvarovania, ako je napríklad lisovanie kompresiou. Pri tejto metóde sa listy uhlíkovej tkaniny laminujú na forme, čím sa vytvorí konečný produkt. Pevnostné a tuhostné vlastnosti výsledného materiálu sa optimalizujú výberom usporiadania a väzby vlákien tkaniny. Forma sa potom naplní epoxidom a vytvrdí teplom alebo vzduchom. Táto výrobná metóda sa často používa na nenamáhané diely, ako sú kryty motora.
2. Metóda vákuového tvarovania
Pre laminovaný prepreg je potrebné vyvíjať tlak pomocou určitého procesu, aby sa priblížil k forme a aby sa vytvrdil a tvaroval pri určitej teplote a tlaku. Metóda vákuového vaku využíva vákuové čerpadlo na evakuáciu vnútra formovacieho vaku, takže podtlak medzi vakom a formou vytvára tlak, takže kompozitný materiál je blízko formy.
Na základe metódy vákuového vrecka bola neskôr odvodená metóda tvárnenia vo vákuovom vrecku a autokláve. Autoklávy poskytujú vyšší tlak a tepelne vytvrdzujú diel (namiesto prirodzeného vytvrdzovania) ako metódy iba s vákuovým vreckom. Takýto diel má kompaktnejšiu štruktúru, lepšiu kvalitu povrchu, dokáže účinne eliminovať vzduchové bubliny (bubliny výrazne ovplyvňujú pevnosť dielu) a celková kvalita je vyššia. V skutočnosti je proces vákuového vreckania podobný procesu lepenia fólie na mobilný telefón. Odstránenie vzduchových bublín je dôležitou úlohou.
3. Metóda lisovania
Lisovanie kompresiouje metóda lisovania, ktorá je priaznivá pre hromadnú výrobu. Formy sa zvyčajne vyrábajú z hornej a dolnej časti, ktoré nazývame samčia forma a samičia forma. Proces lisovania spočíva vo vložení rohože vyrobenej z prepregov do kovovej protiformy a pôsobením určitej teploty a tlaku sa rohož zahrieva a plastifikuje v dutine formy, pod tlakom tečie a vypĺňa dutinu formy a potom sa lisuje a vytvrdzuje, čím sa získajú výrobky. Táto metóda má však vyššie počiatočné náklady ako predchádzajúce, pretože forma vyžaduje veľmi presné CNC obrábanie.
4. Navíjanie lišt
Pre súčiastky so zložitými tvarmi alebo v tvare rotačného telesa je možné použiť navíjačku filamentu na výrobu súčiastky navíjaním filamentu na tŕň alebo jadro. Po úplnom vytvrdnutí navinutia sa tŕň odstráni. Touto metódou je možné vyrobiť napríklad rúrkové kĺbové ramená používané v závesných systémoch.
5. Transferové lisovanie živicou
Transferové vstrekovanie živice (RTM) je pomerne populárna metóda vstrekovania. Jej základné kroky sú:
1. Vložte pripravenú zlú uhlíkovú tkaninu do formy a formu zatvorte.
2. Vstreknite doň tekutú termosetovú živicu, impregnujte výstužný materiál a vytvrdnite.
Vlastnosti polyméru vystuženého uhlíkovými vláknami
(1) Vysoká pevnosť a dobrá elasticita.
Merná pevnosť (t. j. pomer pevnosti v ťahu k hustote) uhlíkových vlákien je 6-krát vyššia ako u ocele a 17-krát vyššia ako u hliníka. Merný modul (t. j. pomer Youngovho modulu k hustote, čo je znakom elasticity objektu) je viac ako 3-krát vyšší ako u ocele alebo hliníka.
Vďaka vysokej špecifickej pevnosti znesie veľké pracovné zaťaženie. Jeho maximálny pracovný tlak môže dosiahnuť 350 kg/cm2. Okrem toho je stlačiteľnejší a pružnejší ako čistý F-4 a jeho opletenie.
(2) Dobrá odolnosť proti únave a opotrebovaniu.
Jeho odolnosť voči únave je oveľa vyššia ako u epoxidovej živice a vyššia ako u kovových materiálov. Grafitové vlákna sú samomazné a majú malý koeficient trenia. Miera opotrebenia je 5 až 10-krát menšia ako u bežných azbestových výrobkov alebo opletení F-4.
(3) Dobrá tepelná vodivosť a tepelná odolnosť.
Plasty vystužené uhlíkovými vláknami majú dobrú tepelnú vodivosť a teplo vznikajúce trením sa ľahko odvádza. Vnútorný priestor sa ľahko neprehrieva a teplo sa neakumuluje, takže sa môže použiť ako dynamický tesniaci materiál. Na vzduchu môže stabilne fungovať v teplotnom rozsahu -120 až 350 °C. So znížením obsahu alkalických kovov v uhlíkových vláknach sa môže prevádzková teplota ďalej zvýšiť. V inertnom plyne môže jeho prispôsobivá teplota dosiahnuť približne 2000 °C a odoláva prudkým zmenám chladu a tepla.
(4) Dobrá odolnosť voči vibráciám.
Nie je ľahké rezonovať alebo chvieť a je to tiež vynikajúci materiál na redukciu vibrácií a redukciu hluku.
Výhody uhlíkových vlákien (CFRP)
1. Ľahká hmotnosť
Tradičné plasty vystužené sklenenými vláknami používajú súvislé sklenené vlákna a 70 % sklenených vlákien (hmotnosť skla/celková hmotnosť) a zvyčajne majú hustotu 0,065 libry na kubický palec. Kompozit CFRP s rovnakými 70 % hmotnosťou vlákien má zvyčajne hustotu 0,055 libry na kubický palec.
2. Vysoká pevnosť
Hoci polyméry vystužené uhlíkovými vláknami sú ľahké, CFRP kompozity majú vyššiu pevnosť a vyššiu tuhosť na jednotku hmotnosti ako kompozity zo sklenených vlákien. V porovnaní s kovovými materiálmi je táto výhoda zreteľnejšia.
Nevýhody CFRP
1. Vysoké náklady
Výrobné náklady na plast vystužený uhlíkovými vláknami sú neúnosné. Ceny uhlíkových vlákien sa môžu dramaticky líšiť v závislosti od aktuálnych trhových podmienok (ponuka a dopyt), typu uhlíkových vlákien (letecký a kozmický priemysel vs. komerčný typ) a veľkosti zväzku vlákien. V prepočte na libru za libru môže byť panenské uhlíkové vlákno 5 až 25-krát drahšie ako sklenené vlákno. Tento rozdiel je ešte väčší pri porovnaní ocele s uhlíkovými vláknami (CFRP).
2. Vodivosť
Toto je výhoda a nevýhoda kompozitných materiálov z uhlíkových vlákien. Závisí to od aplikácie. Uhlíkové vlákna sú extrémne vodivé a sklenené vlákna sú izolačné. Mnoho produktov používa sklolaminát namiesto uhlíkových vlákien alebo kovu, pretože vyžadujú prísnu izoláciu. Pri výrobe úžitkových materiálov mnoho produktov vyžaduje použitie sklenených vlákien.
Použitie plastu vystuženého uhlíkovými vláknami
Aplikácie polyméru vystuženého uhlíkovými vláknami sú v živote široké, od mechanických súčiastok až po vojenské materiály.
(1)ako tesniace balenie
PTFE materiál vystužený uhlíkovými vláknami sa môže použiť na výrobu tesniacich krúžkov alebo upchávok odolných voči korózii, opotrebeniu a vysokým teplotám. Pri použití na statické utesnenie je jeho životnosť dlhšia, viac ako 10-krát dlhšia ako u bežných azbestových upchávok ponorených do oleja. Dokáže si udržať tesniaci výkon aj pri zmenách zaťaženia, rýchlom chladení a rýchlom ohrevu. A keďže materiál neobsahuje korozívne látky, na kove nedochádza ku korózii.
(2)ako brúsne diely
Vďaka svojim samomazacím vlastnostiam sa môže použiť ako ložiská, ozubené kolesá a piestne krúžky na špeciálne účely. Napríklad bezolejové mazané ložiská pre letecké prístroje a magnetofóny, bezolejové mazané ozubené kolesá pre elektrické dieselové lokomotívy (aby sa predišlo nehodám spôsobeným únikom oleja), bezolejové mazané piestne krúžky na kompresoroch atď. Okrem toho sa môže použiť aj ako klzné ložiská alebo tesnenia v potravinárskom a farmaceutickom priemysle vďaka svojim netoxickým vlastnostiam.
(3) Ako konštrukčné materiály pre letecký priemysel, letectvo a rakety. Prvýkrát sa použil pri výrobe lietadiel na zníženie hmotnosti lietadla a zlepšenie letovej účinnosti. Používa sa aj v chemickom, ropnom, energetickom, strojárskom a inom priemysle ako rotačné alebo vratné dynamické tesnenie alebo rôzne statické tesniace materiály.
Zhengxi je profesionáltováreň na hydraulické lisy v Číne, poskytujúci vysoko kvalitnékompozitný hydraulický lisna tvarovanie CFRP výrobkov.
Čas uverejnenia: 25. mája 2023
