З безперервним розвитком композитних матеріалів, окрім склопластиків, з'явилися вуглецеві волокна, борові волокна тощо. Полімерні композити, армовані вуглецевим волокном (CFRP), – це легкі та міцні матеріали, які використовуються для виготовлення багатьох продуктів, що ми використовуємо у повсякденному житті. Це термін, який використовується для опису волокнистих композитних матеріалів, в яких вуглецеві волокна використовуються як основний структурний компонент.
Зміст:
1. Полімерна структура, посилена вуглецевим волокном
2. Метод лиття вуглецевого волокна, армованого пластиком
3. Властивості полімеру, армованого вуглецевим волокном
4. Переваги вуглепластику
5. Недоліки вуглецевого волокна
6. Використання вуглецевого волокнистого пластику
Полімерна структура, посилена вуглецевим волокном
Вуглепластик, армований вуглецевим волокном, – це матеріал, утворений шляхом розташування вуглецевих волокон у певному напрямку та використання зв'язаних полімерних матеріалів. Діаметр вуглецевого волокна надзвичайно тонкий, близько 7 мікрон, але його міцність надзвичайно висока.
Найосновнішою складовою одиницею композитного матеріалу, армованого вуглецевим волокном, є вуглецева нитка. Основною сировиною для вуглецевої нитки є преполімер поліакрилонітрил (ПАН), район або нафтовий пек. Потім вуглецеві нитки хімічними та механічними методами перетворюються на вуглецеві волокнисті тканини для виготовлення деталей з вуглецевого волокна.
Зв'язуючим полімером зазвичай є термореактивна смола, така як епоксидна смола. Іноді використовуються інші термореактивні або термопластичні полімери, такі як полівінілацетат або нейлон. Окрім вуглецевих волокон, композити також можуть містити арамід Q, поліетилен надвисокої молекулярної маси, алюміній або скляні волокна. На властивості кінцевого продукту з вуглецевого волокна також може впливати тип добавок, що вводяться до сполучної матриці.
Метод лиття з вуглецевого волокна, армованого пластику
Вироби з вуглецевого волокна в основному відрізняються через різні процеси. Існує багато методів формування полімерних матеріалів, армованих вуглецевим волокном.
1. Метод ручного укладання
Поділяється на сухий метод (попередньо підготовлений цех) та мокрий метод (волокниста тканина та смола склеюються для використання). Ручне укладання також використовується для підготовки препрегів для використання у вторинних процесах формування, таких як компресійне формування. Цей метод полягає в тому, що листи вуглецевої тканини ламінуються на формі для формування кінцевого продукту. Міцність та жорсткість отриманого матеріалу оптимізуються шляхом вибору вирівнювання та переплетення волокон тканини. Потім форма заповнюється епоксидною смолою та твердне за допомогою тепла або повітря. Цей метод виробництва часто використовується для деталей, що не піддаються напруженню, таких як кришки двигуна.
2. Метод вакуумного формування
Для ламінованого препрегу необхідно застосувати тиск за допомогою певного процесу, щоб наблизити його до форми, а також затвердіти та сформувати його за певної температури та тиску. Метод вакуумного мішка використовує вакуумний насос для відкачування внутрішньої частини формувального мішка, щоб негативний тиск між мішком та формою створював тиск, завдяки якому композитний матеріал знаходиться близько до форми.
На основі методу вакуумного пакетування пізніше був розроблений метод вакуумного пакетування в автоклаві. Автоклави забезпечують вищий тиск і затверджують деталь під дією тепла (замість природного затвердіння), ніж методи, що використовують лише вакуумний пакет. Така деталь має більш компактну структуру, кращу якість поверхні, може ефективно видаляти бульбашки повітря (бульбашки значно впливають на міцність деталі), а загальна якість вища. Фактично, процес вакуумного пакетування схожий на процес наклеювання плівки на мобільний телефон. Видалення бульбашок повітря є важливим завданням.
3. Метод компресійного лиття
Компресійне формування– це метод лиття, що сприяє масовому виробництву. Форми зазвичай виготовляються з верхньої та нижньої частин, які ми називаємо чоловічою та жіночою формами. Процес лиття полягає в тому, щоб помістити килимок, виготовлений з препрегів, у металеву контрформу, і під дією певної температури та тиску килимок нагрівається та пластифікується в порожнині форми, розтікається під тиском та заповнює порожнину форми, а потім формується та затвердіває для отримання виробів. Однак цей метод має вищу початкову вартість, ніж попередні, оскільки форма вимагає дуже високоточної обробки на верстаті з ЧПК.
4. Обмотування литтям
Для деталей складної форми або у формі тіла обертання можна використовувати намотувач нитки, щоб виготовити деталь шляхом намотування нитки на оправку або стрижень. Після повного затвердіння намотування оправку знімають. Наприклад, трубчасті шарнірні важелі, що використовуються в системах підвіски, можна виготовити за допомогою цього методу.
5. Лиття під тиском смоли
Трансферне лиття смоли (RTM) є відносно популярним методом лиття. Його основні кроки:
1. Помістіть підготовлену тканину з вуглецевого волокна у форму та закрийте її.
2. Введіть у нього рідку термореактивну смолу, просочіть армуючий матеріал та затвердіть.
Властивості полімеру, армованого вуглецевим волокном
(1) Висока міцність та добра еластичність.
Питома міцність (тобто відношення міцності на розрив до щільності) вуглецевого волокна в 6 разів більша, ніж у сталі, і в 17 разів, ніж у алюмінію. Питомий модуль пружності (тобто відношення модуля Юнга до щільності, що є ознакою пружності об'єкта) більший ніж у 3 рази, ніж у сталі або алюмінію.
Завдяки високій питомій міцності, він може витримувати велике робоче навантаження. Його максимальний робочий тиск може сягати 350 кг/см². Крім того, він більш стисливий та еластичний, ніж чистий F-4 та його обплетення.
(2) Гарна стійкість до втоми та зносостійкість.
Його стійкість до втоми значно вища, ніж у епоксидної смоли, і вища, ніж у металевих матеріалів. Графітові волокна самозмащуються та мають малий коефіцієнт тертя. Знос у 5-10 разів менший, ніж у звичайних азбестових виробів або плетіння F-4.
(3) Добра теплопровідність та термостійкість.
Вуглепластик, армований вуглецевим волокном, має добру теплопровідність, а тепло, що утворюється внаслідок тертя, легко розсіюється. Внутрішня частина не перегрівається та не накопичує тепло і може використовуватися як динамічний герметизуючий матеріал. На повітрі він може стабільно працювати в діапазоні температур від -120 до 350°C. Зі зменшенням вмісту лужних металів у вуглецевому волокні робоча температура може ще більше підвищуватися. В інертному газі його адаптивна температура може досягати близько 2000°C, і він може витримувати різкі коливання холоду та тепла.
(4) Гарна вібростійкість.
Він нелегко резонує або коливається, а також є чудовим матеріалом для зменшення вібрації та шуму.
Переваги вуглецевого волокна (CFRP)
1. Легка вага
Традиційні склопластики використовують безперервні скловолокна та 70% скловолокна (вага скла/загальна вага) і зазвичай мають щільність 0,065 фунта на кубічний дюйм. Композитний матеріал з вуглецевих волокон (CFRP) з такою ж вагою 70% волокна зазвичай має щільність 0,055 фунта на кубічний дюйм.
2. Висока міцність
Хоча полімери, армовані вуглецевим волокном, легкі, композити з вуглецевого волокна мають вищу міцність та жорсткість на одиницю ваги, ніж композити зі скловолокна. Порівняно з металевими матеріалами, ця перевага більш очевидна.
Недоліки вуглецевого волокна (CFRP)
1. Висока вартість
Виробнича вартість вуглецевого волокна є непомірно високою. Ціни на вуглецеве волокно можуть суттєво відрізнятися залежно від поточних ринкових умов (попиту та пропозиції), типу вуглецевого волокна (аерокосмічне чи комерційне) та розміру пучка волокон. У перерахунку на фунт, первинне вуглецеве волокно може бути в 5-25 разів дорожчим за скловолокно. Ця різниця ще більша, якщо порівнювати сталь з вуглепластиком.
2. Провідність
Це перевага та недолік вуглецевих волокнистих композитних матеріалів. Це залежить від застосування. Вуглецеві волокна надзвичайно провідні, а скляні – ізолюючі. У багатьох продуктах замість вуглецевого волокна чи металу використовується скловолокно, оскільки вони потребують суворої ізоляції. У виробництві комунальних послуг багато продуктів потребують використання скловолокна.
Використання вуглецевого волокнистого пластику
Застосування полімеру, армованого вуглецевим волокном, є широким у житті, від механічних деталей до військових матеріалів.
(1)як герметичне пакування
Матеріал PTFE, армований вуглецевим волокном, може бути виготовлений для корозійностійких, зносостійких та високотемпературних ущільнювальних кілець або набивок. При використанні для статичної герметизації термін служби довший, більш ніж у 10 разів довший, ніж у звичайної азбестової набивки, зануреної в масло. Він може підтримувати герметичність при змінах навантаження, швидкому охолодженні та швидкому нагріванні. А оскільки матеріал не містить агресивних речовин, на металі не виникає точкової корозії.
(2)як шліфувальні деталі
Завдяки своїм самозмащувальним властивостям його можна використовувати як підшипники, шестерні та поршневі кільця спеціального призначення. Наприклад, як підшипники з безмасляним змащенням для авіаційних приладів та магнітофонів, шестерні з безмасляним змащенням для електричних трансмісій дизельних локомотивів (для запобігання аварій, спричинених витоком масла), поршневі кільця з безмасляним змащенням на компресорах тощо. Крім того, його також можна використовувати як підшипники ковзання або ущільнення в харчовій та фармацевтичній промисловості, використовуючи його нетоксичні характеристики.
(3) Як конструкційні матеріали для аерокосмічної, авіаційної та ракетної промисловості. Вперше його було використано в літакобудуванні для зменшення ваги літака та підвищення ефективності польоту. Він також використовується в хімічній, нафтовій, електроенергетиці, машинобудуванні та інших галузях промисловості як обертове або зворотно-поступальне динамічне ущільнення або різні статичні ущільнювальні матеріали.
Чженсі — професіоналзавод гідравлічних пресів у Китаї, забезпечуючи високу якістькомпозитний гідравлічний пресдля формування виробів з вуглецевого волокна (CFRP).
Час публікації: 25 травня 2023 р.
