Mik azok a CFRP vegyületek és miért hasznosak?

Artículo revisado y aprobado por nuestro equipo editorial, siguiendo los criterios de redacción y edición de YuBrain.

A szénszál- erősítésű polimerek vagy a CFRP-k a nagyon kis sűrűségű, nagy szilárdságú kompozit anyagok egy osztálya, amelyek számos iparágban alkalmazhatók, beleértve a rendkívül versenysportok felszerelésétől a repülőgépiparig. Annak ellenére, hogy műszaki neve szénszál-erősítésű polimer kompozit, a legtöbben ezt az anyagosztályt egyszerűen szénszálnak nevezik .

Ahogy a nevük is sugallja, ezeket a vegyületeket nagy ellenállású szénszálas szövettel megerősített polimer vagy műanyag mátrix képezi. A kompozit végső tulajdonságai függnek mind a felhasznált gyanta típusától, mind a szálak sajátos jellemzőitől, valamint attól, ahogyan a szálak a mátrixon belül összefonódnak, és az anyagon belüli irányuktól. Másrészt általában különféle adalékokat adnak hozzá, hogy tovább módosítsák a kapott alkatrész tulajdonságait.

A polimer mátrix

A polimer mátrix azt a funkciót tölti be, hogy a szénszálakat egyben és rögzített helyzetben tartja; a készülő részt is formálja.Ez szinte mindig hőre keményedő epoxigyantából áll, bár vannak esetek, amikor levegőn keményedő gyantát vagy valamilyen hőre lágyuló vagy más polimert használnak helyette.

Az alkatrészgyártási folyamatban az epoxigyanta többféleképpen is beépíthető. Egyes esetekben a szénszálas lapokat már azelőtt átitatják a gyantával, mielőtt egymásra raknák őket; más esetekben kikeményítetlen gyantarétegeket fektetnek le, majd egy szénszálas lapot, majd egy újabb gyantaréteget és így tovább.

szénszálak

Szénszál gyártási folyamata

A szénszálak gyártási folyamata nagyon ötletes. Lényegében egy szintetikus polimer szál, azaz egy műanyag gyártásából és fonásából áll. Ezt elő lehet állítani szálak formájában, akár úgy, hogy egy már szintetizált műanyagot megolvasztunk, majd még forrón nyújtjuk, vagy polimerizálódás közben húzzuk. Mindenesetre a végeredmény egy több ezer szénatomos láncokból, plusz hidrogénből, oxigénből és esetleg más elemből álló polimerszál.

Miután megkaptuk a szál alapszerkezetét, a következő lépés az anyag karbonizálása, vagyis a szerkezet összes többi atomja megszűnik. Ezt általában úgy érik el, hogy a szintetikus szál orsóit magas hőmérsékletre hevítik, akár vákuumban, akár inert atmoszférában (azaz oxigén hiányában).

Ezen szálak gyártási folyamata gyártónként nagyon eltérő. A minőség, valamint a kémiai és mechanikai tulajdonságok nagymértékben függnek a szintézis és gyártás módszerétől, valamint attól, hogy a később kompozitot képező lapok előkészítésekor a szálak milyen módon fonódnak össze. Emiatt a szénszálas kompozitok különböző kiszerelésben és igen változatos árkategóriában találhatók.

Szénszálakból készült laminátum

A szénszálakat egyirányú szálakat tartalmazó lapok formájában lehet bevinni a műanyag mátrixba, amelyek stratégiailag orientálva vannak, hogy bizonyos irányokban megerősítsék a végső darabot. A szálak mechanikai ellenállása alapvetően annak tengelye mentén jelentkezik, így ha különböző irányú hajlításnak ellenálló alkatrészt akarunk gyártani, akkor az alkatrészen az említett irányban áthaladó szálakat feltétlenül be kell vezetni az anyagba.

Ez utóbbi általában kétféle módon valósítható meg. Az első, ami a legolcsóbb, az, hogy olyan lapokat veszünk, amelyekben a szálak mind ugyanabba az irányba vannak elhelyezve, és különböző irányban egymásra rakjuk őket. Nagyon elterjedt és hatékony választás három lapot egymásra rakva egymásra 0°, +60° és -60° szögben. Ez a beállítás viszonylag egyenletes szilárdságot tesz lehetővé minden irányban minimális szénszálas elrendezéssel.

szénrost

Egy másik nagyon elterjedt lehetőség, bár jóval drágább, a merőlegesen szőtt szénszálas lapok használata, vagyis ugyanúgy, mint a szálak szőtése a ruha készítéséhez. A szálak két merőleges irányú bevitele már két irányban is megerősíti az anyagot, de a szövés azzal a nagy előnnyel jár, hogy drasztikusan csökkenti a lapok egymástól való elszakadási hajlamát, amikor az anyag feszítésnek és hajlításnak van kitéve, ami egy nagyon gyakori típus. az ilyen típusú laminált anyagok meghibásodása miatt.

Nagy szilárdság/tömeg arányú CFRP vegyületeket tartalmazó alkatrészek gyártása ;

Mint korábban említettük, az alkatrészeket a szénszálak valamilyen gyantával átszórt laminálásával készítik, de az alkatrész általános formáját formák segítségével adják meg. Valójában a gyártási folyamat abból áll, hogy a forma belső felületén egy gyantaréteggel kezdjük, majd egy szénszálas lapot helyezünk el, amely kívülről látható lesz, majd egy másik gyantaréteget és a folyamatot megismételjük.

A nem különösebben nagy erőket igénylő alkatrészek gyártása esetén általában elegendő a formák préselése, amíg a gyanta kikeményedik, illetve esetenként fel is szokták melegíteni. Ha azonban olyan kritikus részekről van szó, amelyeknek a lehető legnagyobb ellenállással kell rendelkezniük, mint például egy repülőgép törzsének részei vagy egy Forma-1-es autó szárnyai, akkor az alkatrészeket vákuumnak kell alávetni, hogy kiküszöböljék az esetleges buborékokat a szerkezetben. Ez hatással lehet a teljesítményére.

Ezenkívül ezekben az esetekben a darabokat általában autoklávban lágyítják, hogy a gyanta gyorsabban kikeményedjen. Ez a követelmény nagyon megdrágítja a szénszálas alkatrészek gyártását; Arról nem is beszélve, hogy a szénszálas lapok már most is jelentősen drágák.

Ez a hátrány, valamint néhány más, az anyag vezetőképességével és az alkatrésztervezési szakaszokban nehezen modellezhető többszörös meghibásodási módokkal kapcsolatos hátrányok azt jelentik, hogy a CFRP kompozitok nem használhatók ki teljes potenciáljukban számos kulcsfontosságú alkalmazásban. Erre volt példa, amikor a SpaceX felhagyott azzal a szándékával, hogy következő zászlóshajóját, a Starship-et szénszálból építse meg. Egyszerűen túl drága és kivitelezhetetlen volt egy elég nagy autoklávot építeni ahhoz, hogy az űrhajó különféle alkatrészeit megépítsék, ezért úgy döntöttek, hogy helyette rozsdamentes acélt használnak, ami szokatlan választás a repülőgépiparban.

A CFRP kompozitok tulajdonságai

A CFRP kompozitoknak számos egyedi tulajdonsága van, amelyeket számos alkalmazásban kihasználnak. Néhány közülük:

  • Ez egy nagyon könnyű és nagyon ellenálló anyag. Sokkal nagyobb szilárdság-tömeg aránya van, mint az acélnak és még a titánnak is.
  • Nagyon magas rugalmassági modulus-tömeg arányuk van, magasabb, mint bármely fém.
  • Ez egy olyan anyag, amely kiválóan ellenáll a fáradtságnak.
  • Mind a polimer mátrix, mind a benne lévő szénszálak kémiailag inertek, ami nagyon jó korrózióállóságot biztosít a CFRP kompozitoknak.
  • Hőtágulási együtthatója nagyon alacsony, ami azt jelenti, hogy a CFRP kompozitokból készült alkatrészek nagyon csekély torzulást szenvednek melegítéskor vagy hűtéskor.
  • Elektromos vezetőképességük van . A grafit nagyon jó vezető, a szénszálak pedig alapvetően grafitok, így az őket tartalmazó vegyületek elektromos áramot vezetnek, különösen a szálak irányában. Az alkalmazástól függően ez lehet jó és rossz is.

Ezeken a tulajdonságokon kívül a CFRP kompozitok további tulajdonságokkal is rendelkeznek, amelyek az adott alkalmazástól függően hátrányosak lehetnek:

  • Érzékenyek az ultraibolya (UV) fényre. Az UV-fény sokféle kémiai reakciót képes előmozdítani a szabad gyökök által, amelyek lebontják a legtöbb polimer gyantát és szénszálat, tönkretéve mechanikai tulajdonságaikat. Ezt általában egy festékréteggel oldják meg, amely elnyeli a sugárzást, mielőtt elérné a vegyületet.
  • Általánosságban elmondható, hogy a CFRP kompozitok alacsony ütésállósággal rendelkeznek.
  • Ami az anyaghibát illeti, amikor a CFRP kompozitokat szilárdságuk határáig nyomják, a meghibásodás gyakran katasztrofális, mivel a szénszálak törékenyek. A meghibásodási módok közé tartozik a delamináció (amikor a szálak elválik egymástól) és a szálszakadás.

A CFRP kompozitok tulajdonságai anizotrópok.

Meg kell jegyezni, hogy a CFRP kompozitok fent említett tulajdonságainak többsége anizotróp, ami azt jelenti, hogy nem egyenletesek az egész anyagban, és attól függenek, hogy milyen irányban mérik őket. Ez annak a következménye, hogy rendezett szálakból állnak, amelyek jól meghatározott irányokat követnek. Ebből következően az anyag jellemzői ezen irányok mentén nagyon eltérnek a különböző irányú jellemzőktől.

Például az epoxigyantában 70% szénszálakat tartalmazó CFRP kompozit húzási modulusa a szálakra merőleges irányban mindössze 10,3 GPa, míg axiális vagy hosszanti irányban ugyanez a modul 181 GPa. A szakítószilárdság és a szakítószilárdság különbsége még drámaibb, a szálakra merőleges irányban 40 MPa, míg hosszirányban 1500 MPa, ami közel 40-szerese. Végül ennek a vegyületnek a tágulási együtthatója 112,5-szer kisebb a szálak mentén, mint a merőleges irányban.

A CFRP kompozitok általános alkalmazásai

Annak ellenére, hogy a CFRP kompozitokat számos csúcskategóriás termékben használják (mivel ez sokkal drágább anyag, mint a legtöbb más lehetőség), a CFRP kompozitokat elsősorban négy iparágban használják:

a repülőgépiparban

Ezeket a vegyületeket először az 1950-es években használták a repülőgépgyártásban, és az ipari felhasználásuk csak nőtt. A Boeing 767-es és 777-es utasszállító modelljei 3% és 7% CFRP-vegyületet tartalmaznak. Ezekben az esetekben egyes szerkezeti elemekben alkalmazták őket. Ezzel szemben az új Boeing 787 Dreamliner modell esetében a teljes törzs és a szárnyak szénszálból készülnek, és ez az anyag az említett repülőgép tömegének 50%-át és térfogatának 80%-át teszi ki; ez a tendencia más repülőgépgyártóknál is megfigyelhető.

Mik azok a CFRP vegyületek és miért hasznosak?

Másrészt, annak ellenére, hogy a SpaceX lemondott a szénszálak használatáról a Starship számára, egy másik, Rocket Lab nevű repülőgép-ipari magáncég nemrég jelentette be új rakétája, a Neutron megépítését, amely egy újrafelhasználható, teljes egészében szénszálból készült rakéta lesz.

Az autóiparban

A világ leggyorsabb versenyautóit évek óta szénszálból építik. Ez nem csak a külső része, hanem a karosszéria fő anyaga és a szárnyak, amelyek a talajhoz tapadnak gyorsulás közben, hanem az alváznak is. Valójában a McLaren Forma 1-es autók szerkezeti tömegének 60-70%-a szénszálból áll (ez nem számít bele a motor, a kerekek és a sebességváltó).

Mik azok a CFRP vegyületek és miért hasznosak?

A magáncélú autók esetében csak a legmagasabb kategóriás autók, például a luxussportautók használnak szénszálat karosszériájuk vagy szerkezetük valamely részében.

Haditengerészeti ipar

Mind a kis súlyuk, mind a nagy korrózióállóságuk miatt a CFRP kompozitok ideálisak könnyű teherbírású hajók és szupersebességű hajók építéséhez. Manapság azonban egyre gyakrabban használják őket nagyobb hajók, köztük jachtok és professzionális használatra szánt hajók építésénél.

Mik azok a CFRP vegyületek és miért hasznosak?

A kevesebb karbantartást igénylő vegyszerállóság mellett a súlymegtakarítás az egyik fő oka annak, hogy ez az anyag behatol az iparágba, és más lehetőségeket vált fel, mint például az alumínium, az acél, sőt más polimer vegyületek, például az üvegszál.

A nagy versenysportban

A szénszál egyik leggyakoribb és leglátványosabb alkalmazása a sportban a nagy teljesítményű kerékpárok vázának felépítése. Mindegy, hogy a kerékpározás melyik ágáról van szó, legyen szó hegyi kerékpározásról, lesiklásról vagy országúti kerékpárról a Tour de France-on, a legjobb kerékpárok szinte teljes egészében szénszálból készülnek.

Mik azok a CFRP vegyületek és miért hasznosak?

Másrészt a szénszál a vékony szerkezeti elemekben is mindenütt megtalálható, amelyeknek nagyon ellenállónak kell lenniük, mint például a csúcskategóriás golfütőkben, versenyhorgászbotokban, teniszütőkben, sőt asztaliteniszütőkben is.

Hivatkozások

Boeing 787 Dreamliner – áttekintés . (nd). Science Direct. https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/boeing-787-dreamliner

Barta, C. (2018, október 15.). Szénszál: Információk, szerkezetek és tulajdonságok . CarboSystem. https://carbosystem.com/fibra-de-carbono-2/

Gardiner, G. (2010, november 30.). Miért CFRP? CompositesWorld. https://www.compositesworld.com/articles/why-cfrp

Giurgiutiu, V. (2016, január 1.). Repülési és űrkutatási kompozitok szerkezeti állapotának monitorozása . Science Direct. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B9780124096059000015

Kopeliovich, D. (2012a, június 2.). Szénszál erősítésű polimer kompozitok [SubsTech] . SubsTech. https://www.substech.com/dokuwiki/doku.php?id=carbon_fiber_reinforced_polymer_composites

Gomez, JL (2021, szeptember 23.). Mi az a szénszál, az az anyag, ami önmagában értéktelen, és a gyantával együtt mindent megér . Diariomotor.com. https://www.diariomotor.com/que-es/tecnologia/fibra-de-carbono/

Kopeliovich, D. (2012b, június 3.). 70%-ban szénszálakkal megerősített epoxi mátrix kompozit [SubsTech] . SubsTech. https://www.substech.com/dokuwiki/doku.php?id=epoxy_matrix_composite_reinforced_by_70_carbon_fibers

McLaren. (2020, június 5.). A szénszál lenyűgöző története . McLaren Racing. https://www.mclaren.com/racing/car/fascinating-story-carbon-fibre-1654987/

López, JC (2019, június 30.). Szénszál: mi ez és miért olyan vonzó a szórakoztató elektronika számára, mint a repüléstechnika ill. . . Xataka. https://www.xataka.com/investigacion/fibra-carbono-que-que-atractiva-para-electronica-consumo-como-para-aeronautica-automocion

Zhao, Q., Zhang, K., Zhu, S., Xu, H., Cao, D., Zhao, L., Zhang, R. és Yin, W. (2019). Áttekintés a szénszállal megerősített polimer elektromos ellenállásáról/vezetőképességéről. Applied Sciences , 9 (11), 2390. https://www.mdpi.com/2076-3417/9/11/2390/htm

mm
Israel Parada (Licentiate,Professor ULA)
(Licenciado en Química) - AUTOR. Profesor universitario de Química. Divulgador científico.

Artículos relacionados