Với sự phát triển không ngừng của vật liệu composite, bên cạnh nhựa gia cường sợi thủy tinh, còn xuất hiện nhựa gia cường sợi carbon, nhựa gia cường sợi boron, v.v. Vật liệu composite polymer gia cường sợi carbon (CFRP) là vật liệu nhẹ và bền chắc, được sử dụng để sản xuất nhiều sản phẩm mà chúng ta sử dụng hàng ngày. Đây là thuật ngữ dùng để mô tả các vật liệu composite gia cường sợi sử dụng sợi carbon làm thành phần cấu trúc chính.
Mục lục:
1. Cấu trúc polyme gia cường bằng sợi carbon
2. Phương pháp đúc nhựa gia cường sợi carbon
3. Tính chất của polyme gia cường bằng sợi carbon
4. Ưu điểm của CFRP
5. Nhược điểm của CFRP
6. Ứng dụng của nhựa gia cường sợi carbon
Cấu trúc polyme gia cường bằng sợi carbon
Nhựa gia cường sợi carbon là vật liệu được tạo thành bằng cách sắp xếp các sợi carbon theo một hướng nhất định và sử dụng các vật liệu polymer liên kết. Đường kính của sợi carbon cực kỳ nhỏ, khoảng 7 micron, nhưng độ bền lại rất cao.
Đơn vị cấu tạo cơ bản nhất của vật liệu composite gia cường bằng sợi carbon là sợi filament carbon. Nguyên liệu thô cơ bản của sợi filament carbon là tiền polymer polyacrylonitrile (PAN), rayon hoặc nhựa đường dầu mỏ. Sau đó, các sợi filament carbon được chế tạo thành vải sợi carbon bằng các phương pháp hóa học và cơ học để sản xuất các bộ phận bằng sợi carbon.
Chất kết dính thường là nhựa nhiệt rắn như epoxy. Đôi khi, các loại polymer nhiệt rắn hoặc nhiệt dẻo khác cũng được sử dụng, chẳng hạn như polyvinyl axetat hoặc nylon. Ngoài sợi carbon, vật liệu composite cũng có thể chứa aramid Q, polyetylen trọng lượng phân tử cực cao, nhôm hoặc sợi thủy tinh. Tính chất của sản phẩm sợi carbon cuối cùng cũng có thể bị ảnh hưởng bởi loại phụ gia được đưa vào ma trận kết dính.
Phương pháp đúc nhựa gia cường sợi carbon
Các sản phẩm sợi carbon chủ yếu khác nhau do quy trình sản xuất khác nhau. Có nhiều phương pháp để tạo ra vật liệu polymer gia cường bằng sợi carbon.
1. Phương pháp đắp thủ công
Được chia thành phương pháp khô (chuẩn bị sẵn tại xưởng) và phương pháp ướt (vải sợi và nhựa được dán lại với nhau để sử dụng). Phương pháp đắp thủ công cũng được sử dụng để chuẩn bị vật liệu prepreg cho các quy trình đúc thứ cấp như ép khuôn. Phương pháp này là nơi các tấm vải sợi carbon được ép lên khuôn để tạo thành sản phẩm cuối cùng. Các đặc tính về độ bền và độ cứng của vật liệu thu được được tối ưu hóa bằng cách lựa chọn sự sắp xếp và kiểu dệt của các sợi vải. Sau đó, khuôn được đổ đầy epoxy và được làm cứng bằng nhiệt hoặc không khí. Phương pháp sản xuất này thường được sử dụng cho các bộ phận không chịu lực, chẳng hạn như nắp động cơ.
2. Phương pháp tạo hình chân không
Đối với vật liệu composite nhiều lớp, cần phải tạo áp lực thông qua một quy trình nhất định để đưa nó sát vào khuôn, sau đó đóng rắn và tạo hình dưới nhiệt độ và áp suất nhất định. Phương pháp túi hút chân không sử dụng bơm chân không để hút chân không bên trong túi tạo hình, sao cho áp suất âm giữa túi và khuôn tạo ra lực ép giúp vật liệu composite sát vào khuôn.
Trên cơ sở phương pháp hút chân không, phương pháp tạo hình bằng túi hút chân không kết hợp nồi hấp được phát triển sau đó. Nồi hấp tạo ra áp suất cao hơn và làm cứng chi tiết bằng nhiệt (thay vì để khô tự nhiên) so với phương pháp chỉ sử dụng túi hút chân không. Chi tiết được tạo ra có cấu trúc nhỏ gọn hơn, chất lượng bề mặt tốt hơn, có thể loại bỏ bọt khí hiệu quả (bọt khí sẽ ảnh hưởng lớn đến độ bền của chi tiết), và chất lượng tổng thể cao hơn. Trên thực tế, quá trình hút chân không tương tự như quá trình dán phim cách nhiệt điện thoại di động. Loại bỏ bọt khí là một nhiệm vụ quan trọng.
3. Phương pháp ép khuôn
Ép khuônÉp khuôn là phương pháp tạo hình thuận lợi cho sản xuất hàng loạt. Khuôn thường được làm từ phần trên và phần dưới, gọi là khuôn đực và khuôn cái. Quá trình tạo hình là đặt tấm vật liệu prepreg vào khuôn kim loại, dưới tác động của nhiệt độ và áp suất nhất định, tấm vật liệu được nung nóng và hóa dẻo trong khoang khuôn, chảy dưới áp suất và lấp đầy khoang khuôn, sau đó được tạo hình và đóng rắn để thu được sản phẩm. Tuy nhiên, phương pháp này có chi phí ban đầu cao hơn so với các phương pháp trước đó, vì khuôn đòi hỏi gia công CNC với độ chính xác rất cao.
4. Khuôn uốn cong
Đối với các chi tiết có hình dạng phức tạp hoặc hình dạng vật thể quay, có thể sử dụng máy quấn sợi để tạo ra chi tiết bằng cách quấn sợi quanh một trục hoặc lõi. Sau khi quấn xong, tiến hành làm khô và tháo trục. Ví dụ, các khớp nối hình ống được sử dụng trong hệ thống treo có thể được chế tạo bằng phương pháp này.
5. Khuôn ép chuyển nhựa
Ép khuôn chuyển nhựa (RTM) là một phương pháp tạo hình khá phổ biến. Các bước cơ bản của nó bao gồm:
1. Đặt tấm vải sợi carbon đã chuẩn bị vào khuôn và đóng khuôn lại.
2. Bơm nhựa nhiệt rắn dạng lỏng vào đó, ngấm vào vật liệu gia cường và tiến hành đóng rắn.
Tính chất của polyme gia cường sợi carbon
(1) Độ bền cao và độ đàn hồi tốt.
Độ bền riêng (tức là tỷ lệ giữa độ bền kéo và mật độ) của sợi carbon gấp 6 lần so với thép và gấp 17 lần so với nhôm. Mô đun đàn hồi riêng (tức là tỷ lệ giữa mô đun Young và mật độ, là chỉ số thể hiện độ đàn hồi của vật thể) lớn hơn 3 lần so với thép hoặc nhôm.
Với độ bền riêng cao, nó có thể chịu được tải trọng làm việc lớn. Áp suất làm việc tối đa của nó có thể đạt tới 350 kg/cm2. Ngoài ra, nó có khả năng nén và đàn hồi tốt hơn so với F-4 nguyên chất và lớp bện của nó.
(2) Khả năng chống mỏi và chống mài mòn tốt.
Khả năng chống mỏi của nó cao hơn nhiều so với nhựa epoxy và cao hơn so với vật liệu kim loại. Sợi than chì có khả năng tự bôi trơn và có hệ số ma sát nhỏ. Lượng mài mòn ít hơn 5-10 lần so với các sản phẩm amiăng thông thường hoặc dây bện F-4.
(3) Khả năng dẫn nhiệt và chịu nhiệt tốt.
Nhựa gia cường sợi carbon có khả năng dẫn nhiệt tốt, nhiệt lượng sinh ra do ma sát dễ dàng được tản ra. Bên trong vật liệu không dễ bị quá nhiệt và tích trữ nhiệt, có thể được sử dụng làm vật liệu làm kín động. Trong không khí, nó có thể hoạt động ổn định trong phạm vi nhiệt độ từ -120 đến 350°C. Với việc giảm hàm lượng kim loại kiềm trong sợi carbon, nhiệt độ hoạt động có thể được tăng lên hơn nữa. Trong môi trường khí trơ, nhiệt độ thích ứng của nó có thể đạt khoảng 2000°C và có thể chịu được sự thay đổi đột ngột về nhiệt độ lạnh và nóng.
(4) Khả năng chống rung tốt.
Nó khó bị cộng hưởng hay rung động, đồng thời cũng là vật liệu tuyệt vời để giảm rung và giảm tiếng ồn.
Ưu điểm của CFRP
1. Trọng lượng nhẹ
Các loại nhựa gia cường sợi thủy tinh truyền thống sử dụng sợi thủy tinh liên tục và có tỷ lệ sợi thủy tinh là 70% (trọng lượng thủy tinh/tổng trọng lượng), thường có mật độ 0,065 pound trên inch khối. Vật liệu composite CFRP với cùng tỷ lệ sợi 70% thường có mật độ 0,055 pound trên inch khối.
2. Độ bền cao
Mặc dù polyme gia cường bằng sợi carbon có trọng lượng nhẹ, nhưng vật liệu composite CFRP lại có độ bền và độ cứng trên mỗi đơn vị trọng lượng cao hơn so với vật liệu composite sợi thủy tinh. So với vật liệu kim loại, ưu điểm này càng rõ rệt hơn.
Nhược điểm của CFRP
1. Chi phí cao
Chi phí sản xuất nhựa gia cường sợi carbon rất cao. Giá sợi carbon có thể biến động mạnh tùy thuộc vào điều kiện thị trường hiện tại (cung và cầu), loại sợi carbon (loại dùng trong hàng không vũ trụ so với loại dùng trong thương mại) và kích thước bó sợi. Xét về trọng lượng, sợi carbon nguyên chất có thể đắt hơn sợi thủy tinh từ 5 đến 25 lần. Sự khác biệt này thậm chí còn lớn hơn khi so sánh thép với CFRP.
2. Độ dẫn điện
Đây là ưu điểm và nhược điểm của vật liệu composite sợi carbon. Điều này phụ thuộc vào ứng dụng. Sợi carbon có khả năng dẫn điện cực tốt, còn sợi thủy tinh thì cách điện. Nhiều sản phẩm sử dụng sợi thủy tinh thay vì sợi carbon hoặc kim loại vì chúng yêu cầu khả năng cách điện nghiêm ngặt. Trong sản xuất các thiết bị tiện ích, nhiều sản phẩm cần sử dụng sợi thủy tinh.
Ứng dụng của nhựa gia cường sợi carbon
Vật liệu polymer gia cường bằng sợi carbon có ứng dụng rộng rãi trong đời sống, từ các bộ phận cơ khí đến vật liệu quân sự.
(1)dùng làm bao bì niêm phong
Vật liệu PTFE gia cường sợi carbon có thể được chế tạo thành vòng đệm hoặc gioăng làm kín chống ăn mòn, chống mài mòn và chịu nhiệt độ cao. Khi được sử dụng để làm kín tĩnh, tuổi thọ sử dụng dài hơn, gấp hơn 10 lần so với gioăng amiăng ngâm dầu thông thường. Nó có thể duy trì hiệu suất làm kín dưới sự thay đổi tải trọng, làm lạnh nhanh và làm nóng nhanh. Và vì vật liệu này không chứa các chất ăn mòn, nên sẽ không xảy ra hiện tượng ăn mòn rỗ trên kim loại.
(2)như các bộ phận mài
Nhờ đặc tính tự bôi trơn, nó có thể được sử dụng làm ổ trục, bánh răng và vòng piston cho các mục đích đặc biệt. Ví dụ như ổ trục bôi trơn không dầu cho các thiết bị hàng không và máy ghi âm, bánh răng bôi trơn không dầu cho đầu máy xe lửa chạy điện (để tránh tai nạn do rò rỉ dầu), vòng piston bôi trơn không dầu trên máy nén khí, v.v. Ngoài ra, nó cũng có thể được sử dụng làm ổ trượt hoặc vòng đệm trong ngành công nghiệp thực phẩm và dược phẩm nhờ đặc tính không độc hại của nó.
(3) Là vật liệu cấu trúc cho hàng không vũ trụ, hàng không và tên lửa. Nó được sử dụng lần đầu tiên trong sản xuất máy bay để giảm trọng lượng máy bay và cải thiện hiệu quả bay. Nó cũng được sử dụng trong hóa chất, dầu khí, điện lực, máy móc và các ngành công nghiệp khác như một loại gioăng động quay hoặc chuyển động tịnh tiến hoặc các vật liệu gioăng tĩnh khác nhau.
Zhengxi là một chuyên giaNhà máy ép thủy lực tại Trung Quốccung cấp chất lượng caomáy ép thủy lực hỗn hợpđể tạo hình các sản phẩm CFRP.
Thời gian đăng bài: 25 tháng 5 năm 2023
