สุดยอดคู่มือ CFRP: พลาสติก/โพลีเมอร์เสริมคาร์บอนไฟเบอร์

ด้วยการพัฒนาอย่างต่อเนื่องของวัสดุคอมโพสิต นอกเหนือจากพลาสติกเสริมใยแก้ว พลาสติกเสริมคาร์บอนไฟเบอร์ พลาสติกเสริมใยโบรอน ฯลฯ ได้ปรากฏขึ้นพอลิเมอร์เสริมด้วยคาร์บอนไฟเบอร์คอมโพสิต (CFRP) เป็นวัสดุน้ำหนักเบาและแข็งแรงที่ใช้ในการผลิตผลิตภัณฑ์มากมายที่เราใช้ในชีวิตประจำวันเป็นคำที่ใช้อธิบายวัสดุคอมโพสิตเสริมเส้นใยซึ่งใช้คาร์บอนไฟเบอร์เป็นส่วนประกอบโครงสร้างหลัก

สารบัญ:

1. โครงสร้างโพลีเมอร์เสริมคาร์บอนไฟเบอร์
2. วิธีการขึ้นรูปพลาสติกเสริมคาร์บอนไฟเบอร์
3. คุณสมบัติของพอลิเมอร์เสริมคาร์บอนไฟเบอร์
4. ข้อดีของ CFRP
5. ข้อเสียของ CFRP
6. การใช้พลาสติกเสริมคาร์บอนไฟเบอร์

โครงสร้างโพลีเมอร์เสริมคาร์บอนไฟเบอร์

พลาสติกเสริมคาร์บอนไฟเบอร์เป็นวัสดุที่เกิดจากการจัดเรียงวัสดุคาร์บอนไฟเบอร์ในทิศทางที่กำหนดและใช้วัสดุโพลีเมอร์ที่ถูกพันธะเส้นผ่านศูนย์กลางของคาร์บอนไฟเบอร์นั้นบางมาก ประมาณ 7 ไมครอน แต่มีความแข็งแรงสูงมาก

หน่วยองค์ประกอบพื้นฐานที่สุดของวัสดุคอมโพสิตเสริมคาร์บอนไฟเบอร์คือเส้นใยคาร์บอนไฟเบอร์วัตถุดิบพื้นฐานของเส้นใยคาร์บอนคือพรีโพลีเมอร์โพลีอะคริโลไนไตรล์ (PAN) เรยอน หรือพิตช์ปิโตรเลียมเส้นใยคาร์บอนจะถูกสร้างเป็นผ้าคาร์บอนไฟเบอร์โดยวิธีทางเคมีและทางกลสำหรับชิ้นส่วนคาร์บอนไฟเบอร์

พอลิเมอร์ที่ยึดเกาะมักเป็นเรซินเทอร์โมเซตติง เช่น อีพอกซีบางครั้งใช้เทอร์โมเซ็ตหรือเทอร์โมพลาสติกโพลีเมอร์อื่นๆ เช่น โพลีไวนิลอะซิเตตหรือไนลอนนอกจากเส้นใยคาร์บอนแล้ว วัสดุคอมโพสิตยังประกอบด้วยอะรามิดคิว โพลีเอทิลีนที่มีน้ำหนักโมเลกุลสูงเป็นพิเศษ อะลูมิเนียม หรือใยแก้วอีกด้วยคุณสมบัติของผลิตภัณฑ์คาร์บอนไฟเบอร์ขั้นสุดท้ายอาจได้รับผลกระทบจากประเภทของสารเติมแต่งที่ใส่เข้าไปในเมทริกซ์การยึดเกาะ

วิธีการขึ้นรูปพลาสติกเสริมคาร์บอนไฟเบอร์

ผลิตภัณฑ์คาร์บอนไฟเบอร์ส่วนใหญ่มีความแตกต่างกันเนื่องจากกระบวนการที่แตกต่างกันมีหลายวิธีในการขึ้นรูปวัสดุโพลีเมอร์เสริมคาร์บอนไฟเบอร์

1. วิธีการวางมือ

แบ่งเป็นวิธีแห้ง (ร้านเตรียมไว้) และวิธีเปียก (ผ้าใยและเรซินติดกาวใช้)นอกจากนี้การวางมือยังใช้ในการเตรียมพรีเพรกเพื่อใช้ในกระบวนการขึ้นรูปแบบขั้นที่สอง เช่น การขึ้นรูปแบบอัดวิธีการนี้คือการนำแผ่นผ้าคาร์บอนไฟเบอร์มาเคลือบบนแม่พิมพ์เพื่อสร้างเป็นผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายคุณสมบัติด้านความแข็งแรงและความแข็งของวัสดุที่ได้นั้นได้รับการปรับปรุงให้เหมาะสมโดยการเลือกการจัดตำแหน่งและการทอของเส้นใยผ้าจากนั้นจึงเติมแม่พิมพ์ด้วยอีพ็อกซี่และบ่มด้วยความร้อนหรืออากาศวิธีการผลิตนี้มักใช้กับชิ้นส่วนที่ไม่เกิดความเครียด เช่น ฝาครอบเครื่องยนต์

2. วิธีการขึ้นรูปสุญญากาศ

สำหรับพรีเพกแบบเคลือบ จำเป็นต้องใช้แรงกดผ่านกระบวนการบางอย่างเพื่อให้ใกล้กับแม่พิมพ์ และเพื่อบ่มและขึ้นรูปภายใต้อุณหภูมิและความดันที่กำหนดวิธีถุงสุญญากาศใช้ปั๊มสุญญากาศเพื่ออพยพภายในถุงขึ้นรูป เพื่อให้แรงดันลบระหว่างถุงกับแม่พิมพ์เกิดแรงดันเพื่อให้วัสดุคอมโพสิตอยู่ใกล้กับแม่พิมพ์

บนพื้นฐานของวิธีถุงสุญญากาศ วิธีการขึ้นรูปถุงสุญญากาศด้วยหม้อนึ่งความดันได้เกิดขึ้นในภายหลังหม้อนึ่งความดันให้แรงดันและความร้อนในการบ่มชิ้นส่วนที่สูงกว่า (แทนการบ่มตามธรรมชาติ) มากกว่าวิธีที่ใช้ถุงสุญญากาศเท่านั้นชิ้นส่วนดังกล่าวมีโครงสร้างที่กะทัดรัดกว่า คุณภาพพื้นผิวดีขึ้น สามารถขจัดฟองอากาศได้อย่างมีประสิทธิภาพ (ฟองอากาศจะส่งผลต่อความแข็งแรงของชิ้นส่วนอย่างมาก) และคุณภาพโดยรวมจะสูงขึ้นที่จริงแล้วกระบวนการบรรจุถุงสูญญากาศนั้นคล้ายคลึงกับการติดฟิล์มโทรศัพท์มือถือการกำจัดฟองอากาศถือเป็นงานสำคัญ

3. วิธีการอัดขึ้นรูป

การอัดขึ้นรูปเป็นวิธีการขึ้นรูปที่เอื้อต่อการผลิตจำนวนมากและการผลิตจำนวนมากแม่พิมพ์มักทำจากส่วนบนและส่วนล่าง ซึ่งเราเรียกว่าแม่พิมพ์ตัวผู้และแม่พิมพ์ตัวเมียขั้นตอนการขึ้นรูปคือการใส่เสื่อที่ทำจากพรีเพกลงในแม่พิมพ์เคาน์เตอร์โลหะ และภายใต้การกระทำของอุณหภูมิและความดันที่แน่นอน เสื่อจะถูกให้ความร้อนและพลาสติกในโพรงแม่พิมพ์ ไหลภายใต้แรงกดดัน และเติมเข้าไปในโพรงแม่พิมพ์ จากนั้น และการปั้นและการบ่มเพื่อให้ได้ผลิตภัณฑ์อย่างไรก็ตาม วิธีการนี้มีต้นทุนเริ่มแรกสูงกว่าวิธีก่อนหน้า เนื่องจากแม่พิมพ์ต้องใช้เครื่องจักร CNC ที่มีความแม่นยำสูงมาก

4. การขึ้นรูปแบบคดเคี้ยว

สำหรับชิ้นส่วนที่มีรูปร่างที่ซับซ้อนหรืออยู่ในรูปร่างของการปฏิวัติ สามารถใช้เครื่องม้วนเส้นใยเพื่อสร้างชิ้นส่วนโดยการพันเส้นใยบนแมนเดรลหรือแกนกลางหลังจากม้วนเสร็จแล้วก็นำแมนเดรลออกตัวอย่างเช่น แขนข้อต่อแบบท่อที่ใช้ในระบบกันสะเทือนสามารถทำได้โดยใช้วิธีนี้

5. การปั้นเรซิน

การขึ้นรูปแบบเรซิน (RTM) เป็นวิธีการขึ้นรูปที่ค่อนข้างได้รับความนิยมขั้นตอนพื้นฐานคือ:
1. วางผ้าคาร์บอนไฟเบอร์ที่ไม่ดีที่เตรียมไว้ลงในแม่พิมพ์แล้วปิดแม่พิมพ์
2. ฉีดเทอร์โมเซตติงเรซินเหลวลงไป ชุบวัสดุเสริมแรงและบ่ม

คุณสมบัติของพอลิเมอร์เสริมคาร์บอนไฟเบอร์

(1) ความแข็งแรงสูงและความยืดหยุ่นที่ดี

ความแข็งแรงจำเพาะ (นั่นคืออัตราส่วนของความต้านทานแรงดึงต่อความหนาแน่น) ของคาร์บอนไฟเบอร์คือ 6 เท่าของเหล็กและ 17 เท่าของอะลูมิเนียมโมดูลัสจำเพาะ (นั่นคืออัตราส่วนของโมดูลัสของยังต่อความหนาแน่น ซึ่งเป็นสัญญาณของความยืดหยุ่นของวัตถุ) มากกว่าเหล็กหรืออลูมิเนียมมากกว่า 3 เท่า

ด้วยความแข็งแรงเฉพาะเจาะจงสูง จึงสามารถรับภาระงานได้มากแรงดันใช้งานสูงสุดสามารถเข้าถึง 350 กก./ซม.2นอกจากนี้ยังสามารถบีบอัดและยืดหยุ่นได้ดีกว่า F-4 บริสุทธิ์และสายถักของมัน

(2) ทนต่อความล้าและความต้านทานการสึกหรอได้ดี

ความต้านทานความล้าของมันสูงกว่าอีพอกซีเรซินมากและสูงกว่าวัสดุโลหะเส้นใยกราไฟท์มีคุณสมบัติหล่อลื่นในตัวเองและมีค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานเล็กน้อยปริมาณการสึกหรอน้อยกว่าผลิตภัณฑ์ใยหินทั่วไปหรือถักเปีย F-4 ถึง 5-10 เท่า

(3) การนำความร้อนที่ดีและทนความร้อน

พลาสติกเสริมคาร์บอนไฟเบอร์มีค่าการนำความร้อนที่ดีและความร้อนที่เกิดจากแรงเสียดทานจะกระจายไปได้ง่ายภายในไม่ร้อนเกินไปและกักเก็บความร้อนได้ง่าย และสามารถใช้เป็นวัสดุปิดผนึกแบบไดนามิกได้ในอากาศสามารถทำงานได้อย่างเสถียรในช่วงอุณหภูมิ -120~350°Cด้วยการลดปริมาณโลหะอัลคาไลในคาร์บอนไฟเบอร์ อุณหภูมิการใช้งานอาจเพิ่มขึ้นอีกในก๊าซเฉื่อย อุณหภูมิที่ปรับได้สามารถสูงถึงประมาณ 2000°C และสามารถทนต่อการเปลี่ยนแปลงที่รุนแรงของความเย็นและความร้อนได้

(4) ต้านทานการสั่นสะเทือนได้ดี

มันไม่ง่ายที่จะสะท้อนหรือพลิ้วไหว และยังเป็นวัสดุที่ดีเยี่ยมในการลดการสั่นสะเทือนและลดเสียงรบกวนอีกด้วย

ข้อดีของ CFRP

1. น้ำหนักเบา

พลาสติกเสริมใยแก้วแบบดั้งเดิมใช้เส้นใยแก้วต่อเนื่องและเส้นใยแก้ว 70% (น้ำหนักแก้ว/น้ำหนักรวม) และโดยทั่วไปจะมีความหนาแน่น 0.065 ปอนด์ต่อลูกบาศก์นิ้วคอมโพสิต CFRP ที่มีน้ำหนักไฟเบอร์เท่ากัน 70% มักจะมีความหนาแน่น 0.055 ปอนด์ต่อลูกบาศก์นิ้ว

2. มีความแข็งแรงสูง

แม้ว่าโพลีเมอร์เสริมคาร์บอนไฟเบอร์จะมีน้ำหนักเบา แต่คอมโพสิต CFRP มีความแข็งแรงและความแข็งต่อหน่วยน้ำหนักสูงกว่าคอมโพสิตใยแก้วเมื่อเทียบกับวัสดุโลหะ ข้อดีนี้ชัดเจนกว่า

ข้อเสียของ CFRP

1. ต้นทุนสูง

ต้นทุนการผลิตพลาสติกเสริมคาร์บอนไฟเบอร์เป็นสิ่งต้องห้ามราคาคาร์บอนไฟเบอร์อาจแตกต่างกันอย่างมากขึ้นอยู่กับสภาวะตลาดในปัจจุบัน (อุปสงค์และอุปทาน) ประเภทของคาร์บอนไฟเบอร์ (เกรดการบินและอวกาศเทียบกับเชิงพาณิชย์) และขนาดของมัดเส้นใยเมื่อคำนวณแบบปอนด์ต่อปอนด์ คาร์บอนไฟเบอร์บริสุทธิ์อาจมีราคาแพงกว่าใยแก้วถึง 5 ถึง 25 เท่าความแตกต่างนี้ยิ่งใหญ่กว่าเมื่อเปรียบเทียบเหล็กกับ CFRP
2. การนำไฟฟ้า
นี่คือข้อดีและข้อเสียของวัสดุคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์มันขึ้นอยู่กับแอปพลิเคชันเส้นใยคาร์บอนเป็นสื่อกระแสไฟฟ้าสูงและใยแก้วเป็นฉนวนผลิตภัณฑ์จำนวนมากใช้ไฟเบอร์กลาสแทนคาร์บอนไฟเบอร์หรือโลหะเนื่องจากต้องใช้ฉนวนที่เข้มงวดในการผลิตสาธารณูปโภค มีผลิตภัณฑ์จำนวนมากที่ต้องใช้ใยแก้ว

การใช้พลาสติกเสริมคาร์บอนไฟเบอร์

ที่การใช้โพลีเมอร์เสริมคาร์บอนไฟเบอร์มีความหลากหลายในชีวิต ตั้งแต่ชิ้นส่วนเครื่องจักรกลไปจนถึงวัสดุทางการทหาร

(1)เป็นบรรจุภัณฑ์ปิดผนึก
วัสดุ PTFE เสริมด้วยคาร์บอนไฟเบอร์สามารถทำเป็นวงแหวนหรือบรรจุภัณฑ์ที่ทนต่อการกัดกร่อน ทนต่อการสึกหรอ และทนต่ออุณหภูมิสูงได้เมื่อใช้ในการปิดผนึกแบบคงที่ อายุการใช้งานจะยาวนานกว่า นานกว่าการบรรจุแร่ใยหินแบบจุ่มน้ำมันทั่วไปมากกว่า 10 เท่าสามารถรักษาประสิทธิภาพการปิดผนึกภายใต้การเปลี่ยนแปลงโหลดและการระบายความร้อนอย่างรวดเร็วและความร้อนอย่างรวดเร็วและเนื่องจากวัสดุไม่มีสารที่มีฤทธิ์กัดกร่อน จึงไม่เกิดการกัดกร่อนแบบรูพรุนบนโลหะ

(2)เป็นชิ้นส่วนบด
ด้วยคุณสมบัติการหล่อลื่นในตัวเอง จึงสามารถใช้เป็นตลับลูกปืน เกียร์ และแหวนลูกสูบเพื่อวัตถุประสงค์พิเศษได้เช่นตลับลูกปืนหล่อลื่นแบบไร้น้ำมันสำหรับเครื่องมือการบินและเครื่องบันทึกเทป เกียร์หล่อลื่นแบบไร้น้ำมันสำหรับหัวรถจักรดีเซลระบบส่งกำลังไฟฟ้า (เพื่อหลีกเลี่ยงอุบัติเหตุที่เกิดจากน้ำมันรั่ว) แหวนลูกสูบหล่อลื่นแบบไร้น้ำมันบนคอมเพรสเซอร์ ฯลฯ นอกจากนี้ยังสามารถทำได้ ยังใช้เป็นตลับลูกปืนหรือซีลเลื่อนในอุตสาหกรรมอาหารและยาโดยใช้ประโยชน์จากคุณลักษณะที่ไม่เป็นพิษ

(3) เป็นวัสดุโครงสร้างสำหรับการบินและอวกาศ การบิน และขีปนาวุธถูกใช้ครั้งแรกในการผลิตเครื่องบินเพื่อลดน้ำหนักของเครื่องบินและปรับปรุงประสิทธิภาพการบินนอกจากนี้ยังใช้ในอุตสาหกรรมเคมี ปิโตรเลียม พลังงานไฟฟ้า เครื่องจักร และอุตสาหกรรมอื่นๆ ในรูปของซีลไดนามิกแบบหมุนหรือแบบลูกสูบหรือวัสดุซีลแบบคงที่ต่างๆ

เจิ้งซีเป็นมืออาชีพโรงงานกดไฮโดรลิคในประเทศจีนให้คุณภาพสูงเครื่องอัดไฮดรอลิกคอมโพสิตสำหรับการขึ้นรูปผลิตภัณฑ์ CFRP