คู่มือฉบับสมบูรณ์เกี่ยวกับ CFRP: พลาสติก/พอลิเมอร์เสริมใยคาร์บอน

ด้วยการพัฒนาอย่างต่อเนื่องของวัสดุคอมโพสิต นอกจากพลาสติกเสริมใยแก้วแล้ว ยังมีพลาสติกเสริมใยคาร์บอน พลาสติกเสริมใยโบรอน ฯลฯ เกิดขึ้นอีกด้วย วัสดุคอมโพสิตพอลิเมอร์เสริมใยคาร์บอน (CFRP) เป็นวัสดุที่มีน้ำหนักเบาและแข็งแรง ซึ่งใช้ในการผลิตผลิตภัณฑ์มากมายที่เราใช้ในชีวิตประจำวัน เป็นคำที่ใช้เรียกวัสดุคอมโพสิตเสริมใยที่ใช้ใยคาร์บอนเป็นส่วนประกอบโครงสร้างหลัก

สารบัญ:

1. โครงสร้างพอลิเมอร์เสริมใยคาร์บอน
2. วิธีการขึ้นรูปพลาสติกเสริมใยคาร์บอน
3. คุณสมบัติของพอลิเมอร์เสริมใยคาร์บอน
4. ข้อดีของ CFRP
5. ข้อเสียของ CFRP
6. การใช้งานพลาสติกเสริมใยคาร์บอน

โครงสร้างพอลิเมอร์เสริมใยคาร์บอน

พลาสติกเสริมใยคาร์บอนเป็นวัสดุที่เกิดจากการจัดเรียงใยคาร์บอนในทิศทางที่กำหนด และใช้โพลิเมอร์เป็นตัวประสาน ใยคาร์บอนมีเส้นผ่านศูนย์กลางบางมาก ประมาณ 7 ไมครอน แต่มีความแข็งแรงสูงมาก

หน่วยประกอบพื้นฐานที่สุดของวัสดุคอมโพสิตเสริมแรงด้วยเส้นใยคาร์บอนคือเส้นใยคาร์บอน วัตถุดิบพื้นฐานของเส้นใยคาร์บอนคือ โพลีอะคริโลไนไตรล์ (PAN) พรีโพลีเมอร์ เรยอน หรือปิโตรเลียมพิทช์ จากนั้นเส้นใยคาร์บอนจะถูกนำมาผลิตเป็นผ้าเส้นใยคาร์บอนโดยวิธีการทางเคมีและเชิงกลสำหรับชิ้นส่วนเส้นใยคาร์บอน

โดยทั่วไปแล้ว โพลิเมอร์ที่เป็นตัวประสานจะเป็นเรซินเทอร์โมเซต เช่น อีพ็อกซี บางครั้งอาจใช้โพลิเมอร์เทอร์โมเซตหรือเทอร์โมพลาสติกอื่นๆ เช่น โพลีไวนิลอะซิเตต หรือไนลอน นอกจากเส้นใยคาร์บอนแล้ว วัสดุคอมโพสิตยังอาจมีเส้นใยอะรามิดคิว โพลีเอทิลีนที่มีน้ำหนักโมเลกุลสูงมาก อะลูมิเนียม หรือเส้นใยแก้ว คุณสมบัติของผลิตภัณฑ์เส้นใยคาร์บอนขั้นสุดท้ายอาจได้รับผลกระทบจากชนิดของสารเติมแต่งที่ใส่เข้าไปในเมทริกซ์ประสานด้วย

วิธีการขึ้นรูปพลาสติกเสริมใยคาร์บอน

ผลิตภัณฑ์คาร์บอนไฟเบอร์มีความแตกต่างกันส่วนใหญ่เนื่องจากกระบวนการผลิตที่แตกต่างกัน มีวิธีการมากมายในการขึ้นรูปวัสดุพอลิเมอร์เสริมแรงด้วยคาร์บอนไฟเบอร์

1. วิธีการขึ้นรูปด้วยมือ

การผลิตแบ่งออกเป็นวิธีแห้ง (การเตรียมวัสดุไว้ล่วงหน้า) และวิธีเปียก (การใช้ผ้าใยสังเคราะห์และเรซินในการติดกาว) การวางด้วยมือ (Hand lay-up) ยังใช้ในการเตรียมวัสดุพรีเพรก (prepreg) สำหรับกระบวนการขึ้นรูปขั้นที่สอง เช่น การขึ้นรูปด้วยการอัด (compression molding) วิธีการนี้คือการนำแผ่นผ้าใยคาร์บอนมาประกบกันบนแม่พิมพ์เพื่อขึ้นรูปเป็นผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย คุณสมบัติความแข็งแรงและความแข็งของวัสดุที่ได้จะถูกปรับให้เหมาะสมโดยการเลือกการจัดเรียงและการทอของเส้นใยผ้า จากนั้นจึงเติมอีพ็อกซีลงในแม่พิมพ์และทำให้แข็งตัวด้วยความร้อนหรืออากาศ วิธีการผลิตนี้มักใช้สำหรับชิ้นส่วนที่ไม่รับแรงกดมาก เช่น ฝาครอบเครื่องยนต์

2. วิธีการขึ้นรูปด้วยระบบสุญญากาศ

สำหรับการขึ้นรูปวัสดุคอมโพสิตแบบลามิเนต จำเป็นต้องใช้แรงดันผ่านกระบวนการบางอย่างเพื่อให้วัสดุแนบสนิทกับแม่พิมพ์ และทำการอบและขึ้นรูปภายใต้อุณหภูมิและแรงดันที่กำหนด วิธีการใช้ถุงสุญญากาศนั้นใช้ปั๊มสุญญากาศในการดูดอากาศออกจากภายในถุงขึ้นรูป ทำให้เกิดแรงดันลบระหว่างถุงกับแม่พิมพ์ ส่งผลให้วัสดุคอมโพสิตแนบสนิทกับแม่พิมพ์

ต่อมาได้มีการพัฒนาวิธีการขึ้นรูปด้วยถุงสุญญากาศร่วมกับเครื่องออโตเคลฟขึ้นมา เครื่องออโตเคลฟให้แรงดันสูงกว่าและอบชิ้นส่วนด้วยความร้อน (แทนการอบตามธรรมชาติ) เมื่อเทียบกับวิธีการใช้ถุงสุญญากาศเพียงอย่างเดียว ชิ้นส่วนที่ได้จะมีโครงสร้างที่แน่นกว่า คุณภาพพื้นผิวดีกว่า สามารถกำจัดฟองอากาศได้อย่างมีประสิทธิภาพ (ฟองอากาศจะส่งผลต่อความแข็งแรงของชิ้นส่วนอย่างมาก) และคุณภาพโดยรวมสูงกว่า ที่จริงแล้ว กระบวนการขึ้นรูปด้วยถุงสุญญากาศนั้นคล้ายกับการติดฟิล์มกันรอยโทรศัพท์มือถือ การกำจัดฟองอากาศเป็นงานสำคัญอย่างหนึ่ง

3. วิธีการขึ้นรูปด้วยการอัด

การขึ้นรูปด้วยการอัดการขึ้นรูปด้วยแม่พิมพ์เป็นวิธีการขึ้นรูปที่เอื้อต่อการผลิตจำนวนมากและการผลิตในปริมาณมาก โดยปกติแม่พิมพ์จะทำจากส่วนบนและส่วนล่าง ซึ่งเราเรียกว่าแม่พิมพ์ตัวผู้และแม่พิมพ์ตัวเมีย กระบวนการขึ้นรูปคือการใส่แผ่นวัสดุพรีเพรกเข้าไปในแม่พิมพ์โลหะ และภายใต้การกระทำของอุณหภูมิและความดันที่กำหนด แผ่นวัสดุจะถูกทำให้ร้อนและอ่อนตัวในช่องแม่พิมพ์ ไหลภายใต้ความดัน และเติมเต็มช่องแม่พิมพ์ จากนั้นจึงทำการขึ้นรูปและอบให้แข็งตัวเพื่อให้ได้ผลิตภัณฑ์ อย่างไรก็ตาม วิธีนี้มีต้นทุนเริ่มต้นสูงกว่าวิธีเดิม เนื่องจากแม่พิมพ์ต้องใช้เครื่องจักร CNC ที่มีความแม่นยำสูงมาก

4. การขึ้นรูปขดลวด

สำหรับชิ้นส่วนที่มีรูปทรงซับซ้อนหรือมีรูปทรงเป็นทรงกระบอก สามารถใช้เครื่องพันเส้นใยในการผลิตชิ้นส่วนได้ โดยการพันเส้นใยรอบแกนหรือแกนหมุน เมื่อการพันเสร็จสมบูรณ์แล้ว ให้ทำการอบให้แข็งตัวและถอดแกนออก ตัวอย่างเช่น แขนข้อต่อทรงท่อที่ใช้ในระบบกันสะเทือนสามารถผลิตได้โดยใช้วิธีนี้

5. การขึ้นรูปด้วยการถ่ายเทเรซิน

การขึ้นรูปด้วยการถ่ายโอนเรซิน (RTM) เป็นวิธีการขึ้นรูปที่ค่อนข้างได้รับความนิยม ขั้นตอนพื้นฐานมีดังนี้:
1. นำผ้าคาร์บอนไฟเบอร์ที่เตรียมไว้ใส่ลงในแม่พิมพ์ แล้วปิดแม่พิมพ์
2. ฉีดเรซินเทอร์โมเซตติงเหลวเข้าไป แทรกซึมวัสดุเสริมแรง และทำการบ่ม

คุณสมบัติของพอลิเมอร์เสริมใยคาร์บอน

(1) ความแข็งแรงสูงและความยืดหยุ่นดี

ความแข็งแรงจำเพาะ (กล่าวคือ อัตราส่วนของความแข็งแรงดึงต่อความหนาแน่น) ของเส้นใยคาร์บอนนั้นมากกว่าเหล็กถึง 6 เท่า และมากกว่าอะลูมิเนียมถึง 17 เท่า ในขณะที่โมดูลัสจำเพาะ (กล่าวคือ อัตราส่วนของโมดูลัสของยังต่อความหนาแน่น ซึ่งเป็นตัวบ่งชี้ความยืดหยุ่นของวัตถุ) นั้นมากกว่าเหล็กหรืออะลูมิเนียมถึง 3 เท่า

ด้วยความแข็งแรงจำเพาะสูง จึงสามารถรับน้ำหนักใช้งานได้มาก แรงดันใช้งานสูงสุดสามารถสูงถึง 350 กก./ซม.² นอกจากนี้ยังมีความยืดหยุ่นและคืนตัวได้ดีกว่า F-4 บริสุทธิ์และแบบถักอีกด้วย

(2) ทนต่อความล้าและทนต่อการสึกหรอได้ดี

ความต้านทานต่อความล้าของวัสดุนี้สูงกว่าเรซินอีพ็อกซีและสูงกว่าวัสดุโลหะมาก เส้นใยกราไฟต์มีคุณสมบัติหล่อลื่นในตัวและมีค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานต่ำ ปริมาณการสึกหรอต่ำกว่าผลิตภัณฑ์แอสเบสตอสทั่วไปหรือเส้นใยถัก F-4 ถึง 5-10 เท่า

(3) การนำความร้อนที่ดีและความทนทานต่อความร้อน

พลาสติกเสริมใยคาร์บอนมีคุณสมบัติการนำความร้อนที่ดี และความร้อนที่เกิดจากแรงเสียดทานจะระบายออกได้ง่าย ภายในไม่ร้อนจัดและไม่กักเก็บความร้อน จึงสามารถใช้เป็นวัสดุปิดผนึกแบบไดนามิกได้ ในอากาศ สามารถทำงานได้อย่างเสถียรในช่วงอุณหภูมิ -120 ถึง 350 องศาเซลเซียส หากลดปริมาณโลหะอัลคาไลในใยคาร์บอนลง อุณหภูมิใช้งานอาจเพิ่มขึ้นได้อีก ในก๊าซเฉื่อย อุณหภูมิที่ใช้งานได้สามารถสูงถึงประมาณ 2000 องศาเซลเซียส และสามารถทนต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลันได้

(4) ทนต่อการสั่นสะเทือนได้ดี

วัสดุนี้ไม่เกิดการสั่นสะเทือนหรือกระพือได้ง่าย และยังเป็นวัสดุที่ยอดเยี่ยมสำหรับการลดการสั่นสะเทือนและลดเสียงรบกวนอีกด้วย

ข้อดีของ CFRP

1. น้ำหนักเบา

พลาสติกเสริมใยแก้วแบบดั้งเดิมใช้ใยแก้วแบบต่อเนื่องและมีสัดส่วนใยแก้ว 70% (น้ำหนักใยแก้ว/น้ำหนักรวม) โดยทั่วไปมีความหนาแน่น 0.065 ปอนด์ต่อลูกบาศก์นิ้ว ในขณะที่วัสดุคอมโพสิต CFRP ที่มีสัดส่วนใยแก้ว 70% เท่ากัน โดยทั่วไปมีความหนาแน่น 0.055 ปอนด์ต่อลูกบาศก์นิ้ว

2. ความแข็งแรงสูง

แม้ว่าพอลิเมอร์เสริมใยคาร์บอนจะมีน้ำหนักเบา แต่คอมโพสิต CFRP มีความแข็งแรงและความแข็งแกร่งต่อหน่วยน้ำหนักสูงกว่าคอมโพสิตใยแก้ว เมื่อเทียบกับวัสดุโลหะแล้ว ข้อได้เปรียบนี้ยิ่งเห็นได้ชัดเจนกว่า

ข้อเสียของ CFRP

1. ต้นทุนสูง

ต้นทุนการผลิตพลาสติกเสริมใยคาร์บอนนั้นสูงมาก ราคาใยคาร์บอนอาจแตกต่างกันอย่างมาก ขึ้นอยู่กับสภาวะตลาดปัจจุบัน (อุปสงค์และอุปทาน) ชนิดของใยคาร์บอน (เกรดสำหรับอุตสาหกรรมการบินและอวกาศเทียบกับเกรดเชิงพาณิชย์) และขนาดของกลุ่มใยคาร์บอน เมื่อเทียบกันปอนด์ต่อปอนด์ ใยคาร์บอนบริสุทธิ์อาจมีราคาแพงกว่าใยแก้วถึง 5-25 เท่า ความแตกต่างนี้จะยิ่งมากขึ้นเมื่อเปรียบเทียบเหล็กกับ CFRP
2. การนำไฟฟ้า
นี่คือข้อดีและข้อเสียของวัสดุคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ ขึ้นอยู่กับการใช้งาน คาร์บอนไฟเบอร์นำไฟฟ้าได้ดีมาก ในขณะที่ใยแก้วเป็นฉนวน ผลิตภัณฑ์หลายชนิดใช้ใยแก้วแทนคาร์บอนไฟเบอร์หรือโลหะ เนื่องจากต้องการฉนวนที่ดีเยี่ยม ในการผลิตสาธารณูปโภค ผลิตภัณฑ์หลายอย่างจำเป็นต้องใช้ใยแก้ว

การใช้งานพลาสติกเสริมใยคาร์บอน

การประยุกต์ใช้โพลิเมอร์เสริมใยคาร์บอนมีหลากหลายในชีวิตประจำวัน ตั้งแต่ชิ้นส่วนเครื่องจักรกลไปจนถึงวัสดุทางการทหาร

(1)เช่น การปิดผนึกบรรจุภัณฑ์
วัสดุ PTFE เสริมใยคาร์บอนสามารถนำมาผลิตเป็นแหวนซีลหรือวัสดุอุดรอยรั่วที่ทนต่อการกัดกร่อน ทนต่อการสึกหรอ และทนต่ออุณหภูมิสูงได้ เมื่อใช้สำหรับการซีลแบบคงที่ อายุการใช้งานจะยาวนานกว่าวัสดุอุดรอยรั่วใยหินแช่น้ำมันทั่วไปถึงกว่า 10 เท่า สามารถรักษาประสิทธิภาพการซีลได้ภายใต้การเปลี่ยนแปลงของภาระ การเย็นตัวอย่างรวดเร็ว และการร้อนขึ้นอย่างรวดเร็ว และเนื่องจากวัสดุนี้ไม่มีสารกัดกร่อน จึงไม่เกิดการกัดกร่อนแบบเป็นหลุมบนโลหะ

(2)เช่น ชิ้นส่วนบด
ด้วยคุณสมบัติการหล่อลื่นในตัว จึงสามารถนำไปใช้เป็นตลับลูกปืน เฟือง และแหวนลูกสูบสำหรับงานเฉพาะด้านได้ เช่น ตลับลูกปืนหล่อลื่นแบบไร้น้ำมันสำหรับอุปกรณ์การบินและเครื่องบันทึกเทป เฟืองหล่อลื่นแบบไร้น้ำมันสำหรับหัวรถจักรดีเซลส่งกำลังไฟฟ้า (เพื่อหลีกเลี่ยงอุบัติเหตุจากการรั่วไหลของน้ำมัน) แหวนลูกสูบหล่อลื่นแบบไร้น้ำมันในคอมเพรสเซอร์ เป็นต้น นอกจากนี้ยังสามารถใช้เป็นตลับลูกปืนแบบเลื่อนหรือซีลในอุตสาหกรรมอาหารและยาได้ โดยใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติที่ไม่เป็นพิษ

(3) ในฐานะวัสดุโครงสร้างสำหรับอวกาศ การบิน และขีปนาวุธ มีการใช้ครั้งแรกในการผลิตเครื่องบินเพื่อลดน้ำหนักของเครื่องบินและปรับปรุงประสิทธิภาพการบิน นอกจากนี้ยังใช้ในอุตสาหกรรมเคมี ปิโตรเลียม พลังงานไฟฟ้า เครื่องจักร และอุตสาหกรรมอื่นๆ ในฐานะซีลแบบไดนามิกแบบหมุนหรือแบบลูกสูบ หรือวัสดุซีลแบบคงที่ต่างๆ

เจิ้งซีเป็นมืออาชีพโรงงานผลิตเครื่องอัดไฮดรอลิกในประเทศจีนโดยให้บริการที่มีคุณภาพสูงเครื่องอัดไฮดรอลิกแบบผสมสำหรับการขึ้นรูปผลิตภัณฑ์ CFRP