Tabla de Contenidos
Polimery wzmocnione włóknem węglowym (CFRP) to klasa materiałów kompozytowych o bardzo małej gęstości i wysokiej wytrzymałości, które znajdują zastosowanie w wielu gałęziach przemysłu, w tym w sprzęcie do wysoce wyczynowych sportów po przemysł lotniczy. Pomimo tego, że nazwa techniczna to kompozyty polimerowe wzmocnione włóknem węglowym, większość ludzi określa tę klasę materiałów po prostu jako włókno węglowe .
Jak sama nazwa wskazuje, związki te są utworzone przez polimerową lub plastikową matrycę wzmocnioną tkaniną z włókna węglowego o wysokiej wytrzymałości. Ostateczne właściwości kompozytu zależą zarówno od rodzaju użytej żywicy, jak i od szczególnych właściwości włókien, a także od sposobu, w jaki włókna są przeplatane w osnowie i ich kierunku w materiale. Z drugiej strony zwykle dodaje się różne dodatki w celu dalszej modyfikacji właściwości powstałej części.
Matryca polimerowa
Matryca polimerowa spełnia funkcję utrzymywania włókien węglowych razem iw ustalonej pozycji; kształtuje również wykonywaną część.Prawie zawsze składa się z utwardzanej termicznie żywicy epoksydowej, chociaż zdarzają się przypadki, w których zamiast tego stosuje się żywice utwardzane powietrzem lub jakiś termoplastyczny lub inny polimer.
W procesie produkcji części żywicę epoksydową można włączyć na różne sposoby. W niektórych przypadkach arkusze z włókna węglowego są już nasączone żywicą, zanim zostaną ułożone jeden na drugim; w innych przypadkach układane są warstwy nieutwardzonej żywicy, a następnie arkusz włókna węglowego, następnie kolejna warstwa żywicy i tak dalej.
włókna węglowe
Proces produkcji włókna węglowego
Proces produkcji włókien węglowych jest bardzo pomysłowy. W istocie polega to na pierwszym wytwarzaniu i przędzeniu syntetycznego włókna polimerowego, czyli tworzywa sztucznego. Można to przygotować w postaci włókien, albo przez stopienie już zsyntetyzowanego tworzywa sztucznego, a następnie rozciąganie go, gdy jest jeszcze gorące, albo przez ciągnięcie go podczas polimeryzacji. W każdym razie końcowym rezultatem jest nić polimerowa złożona z łańcuchów z tysiącami atomów węgla, plus wodór, tlen i prawdopodobnie jakiś inny pierwiastek.
Po uzyskaniu podstawowej struktury włókna kolejnym etapem jest karbonizacja materiału, czyli wyeliminowanie wszystkich pozostałych atomów struktury. Osiąga się to na ogół przez ogrzewanie szpul z włókien syntetycznych do wysokiej temperatury, albo pod próżnią, albo w atmosferze obojętnej (tj. przy braku tlenu).
Proces produkcji tych włókien różni się znacznie w zależności od producenta. Jakość oraz właściwości chemiczne i mechaniczne zależą w dużym stopniu od metody syntezy i wytwarzania, a także sposobu przeplatania się włókien podczas przygotowywania arkuszy, z których później powstanie kompozyt. Z tego powodu kompozyty z włókna węglowego można znaleźć w różnych prezentacjach iw bardzo zróżnicowanych przedziałach cenowych.
Laminat z włókien węglowych
Włókna węglowe można wprowadzić do plastikowej matrycy w postaci arkuszy zawierających włókna jednokierunkowe, które są strategicznie zorientowane w celu wzmocnienia końcowego elementu w określonych kierunkach. Wytrzymałość mechaniczna włókien występuje zasadniczo wzdłuż ich osi, więc jeśli chcesz wyprodukować część odporną na zginanie w różnych kierunkach, włókna, które przebiegają przez część we wspomnianych kierunkach, muszą koniecznie zostać wprowadzone do materiału.
To ostatnie jest generalnie realizowane na jeden z dwóch sposobów. Pierwszy, który jest najtańszy, polega na pobraniu arkuszy, w których wszystkie włókna są zorientowane w tym samym kierunku, i ułożeniu ich w różnych orientacjach. Bardzo częstym i skutecznym wyborem jest układanie w stos trzech arkuszy ustawionych względem siebie pod kątem 0°, +60° i -60°. Ta konfiguracja pozwala na stosunkowo równomierną wytrzymałość we wszystkich kierunkach przy minimalnej ilości układów włókien węglowych.
Inną bardzo powszechną opcją, choć znacznie droższą, jest użycie arkuszy włókien węglowych tkanych prostopadle, czyli w taki sam sposób, w jaki tkane są nici, aby wytworzyć tkaninę. Zawierające włókna w dwóch prostopadłych kierunkach już wzmacniają materiał w dwóch kierunkach, ale splot ma tę wielką zaletę, że drastycznie zmniejsza tendencję arkuszy do oddzielania się od siebie, gdy materiał jest poddawany rozciąganiu i zginaniu, co jest bardzo powszechnym typem uszkodzeń tego typu materiałów laminowanych.
Produkcja części z kompozytów CFRP o wysokim stosunku wytrzymałości do masy ;
Jak wspomniano wcześniej, części są wykonane przez laminowanie włókien węglowych przeplatanych jakimś rodzajem żywicy, ale ogólny kształt części jest nadawany za pomocą form. Rzeczywiście, proces produkcyjny polega na tym, że zaczyna się od warstwy żywicy na wewnętrznej powierzchni formy, następnie umieszcza się arkusz włókna węglowego, który będzie widoczny z zewnątrz, następnie kolejną warstwę żywicy i proces się powtarza.
W przypadku wytwarzania części, które nie wymagają szczególnie dużych sił, zwykle wystarczy docisnąć formy w czasie utwardzania żywicy, aw niektórych przypadkach zazwyczaj jest ona również podgrzewana. Jednak w przypadku krytycznych części, które muszą mieć maksymalną możliwą odporność, takich jak części kadłuba samolotu lub skrzydła samochodu Formuły 1, części te należy poddać działaniu próżni, aby wyeliminować ewentualne pęcherzyki w strukturze które mogą mieć wpływ na jego działanie.
Ponadto w takich przypadkach elementy są zwykle wyżarzane w autoklawie w celu szybszego utwardzenia żywicy. To wymaganie sprawia, że produkcja części z włókna węglowego jest bardzo kosztowna; Nie wspominając o tym, że arkusze z włókna węglowego są już znacznie drogie.
Ta wada, jak również kilka innych związanych z przewodnictwem materiału i wieloma trybami uszkodzeń, które są trudne do modelowania na etapach projektowania części, oznaczają, że kompozytów CFRP nie można w pełni wykorzystać w wielu kluczowych zastosowaniach. Przykładem tego było porzucenie przez SpaceX zamiaru zbudowania kolejnego flagowego statku kosmicznego, statku kosmicznego, z włókna węglowego. Zbudowanie autoklawu wystarczająco dużego do zbudowania różnych elementów statku kosmicznego było po prostu zbyt drogie i niepraktyczne, więc zdecydowali się zamiast tego użyć stali nierdzewnej, co jest niekonwencjonalnym wyborem w przemyśle lotniczym.
Właściwości kompozytów CFRP
Istnieje wiele unikalnych właściwości kompozytów CFRP, które są wykorzystywane w różnych zastosowaniach. Niektórzy z nich są:
- Jest to bardzo lekki i bardzo wytrzymały materiał. Ma znacznie wyższy stosunek wytrzymałości do masy niż stal, a nawet tytan.
- Mają bardzo wysoki moduł sprężystości w stosunku do ciężaru, również wyższy niż jakikolwiek metal.
- Jest to materiał o dużej odporności na zmęczenie.
- Zarówno matryca polimerowa, jak i zawarte w niej włókna węglowe są chemicznie obojętne, co zapewnia kompozytom CFRP bardzo dobrą odporność na korozję.
- Jego współczynnik rozszerzalności cieplnej jest bardzo niski, co oznacza, że części wykonane z kompozytów CFRP ulegają bardzo niewielkim odkształceniom podczas ogrzewania lub chłodzenia.
- Mają przewodnictwo elektryczne. Grafit jest bardzo dobrym przewodnikiem, a włókna węglowe są zasadniczo grafitem, więc związki, które je zawierają, przewodzą prąd, szczególnie w kierunku włókien. W zależności od zastosowania może to być zarówno dobre, jak i złe.
Oprócz tych właściwości kompozyty CFRP posiadają również pewne dodatkowe właściwości, które mogą być niekorzystne w zależności od konkretnego zastosowania:
- Są wrażliwe na światło ultrafioletowe (UV). Światło UV jest zdolne do wywoływania szerokiej gamy reakcji chemicznych przez wolne rodniki, które degradują zarówno większość żywic polimerowych, jak i włókna węglowe, niszcząc ich właściwości mechaniczne. Zwykle rozwiązuje się to za pomocą warstwy farby, która pochłania promieniowanie, zanim dotrze do związku.
- Ogólnie rzecz biorąc, kompozyty CFRP mają niską udarność.
- Jeśli chodzi o zniszczenie materiału, gdy kompozyty CFRP są dociskane do granic wytrzymałości, uszkodzenie jest często katastrofalne, ponieważ włókna węglowe są kruche. Tryby uszkodzeń obejmują rozwarstwienie (gdy arkusze włókien oddzielają się od siebie) i pękanie włókien.
Właściwości kompozytów CFRP są anizotropowe.
Należy zauważyć, że większość z wymienionych właściwości kompozytów CFRP ma charakter anizotropowy, co oznacza, że nie są one jednolite w całym materiale i zależą od kierunku, w którym są mierzone. Wynika to z faktu, że składają się one z uporządkowanych włókien, które podążają w ściśle określonych kierunkach. W konsekwencji właściwości materiału wzdłuż tych kierunków są bardzo różne od właściwości wzdłuż różnych kierunków.
Na przykład moduł sprężystości przy rozciąganiu kompozytu CFRP z 70% włóknami węglowymi w żywicy epoksydowej ma wartość zaledwie 10,3 GPa w kierunku prostopadłym do włókien, podczas gdy w kierunku osiowym lub wzdłużnym ten sam moduł jest wart 181 GPa. Różnica w wytrzymałości na rozciąganie lub rozciąganie jest jeszcze bardziej dramatyczna, prezentując wartość 40 MPa w kierunku prostopadłym do włókien, podczas gdy w kierunku wzdłużnym jest to 1500 MPa, czyli prawie 40 razy więcej. Wreszcie współczynnik rozszerzalności tego związku jest 112,5 razy mniejszy wzdłuż włókien niż w kierunku prostopadłym.
Typowe zastosowania kompozytów CFRP
Pomimo tego, że kompozyty CFRP są wykorzystywane w wielu wysokiej klasy produktach (ponieważ jest to znacznie droższy materiał niż większość innych opcji), kompozyty CFRP są wykorzystywane głównie w czterech branżach:
w przemyśle lotniczym
Związki te po raz pierwszy zastosowano w produkcji samolotów w latach pięćdziesiątych XX wieku, a ich wykorzystanie w przemyśle tylko wzrosło. Modele samolotów Boeing 767 i 777 zawierają odpowiednio 3% i 7% związków CFRP. W tych przypadkach zastosowano je w niektórych elementach konstrukcyjnych. Z kolei w przypadku nowego modelu Boeinga 787 Dreamliner cały kadłub i skrzydła wykonane są z włókna węglowego i materiał ten stanowi 50% masy i 80% objętości wspomnianego samolotu; trend ten obserwuje się również u innych producentów samolotów.
Z drugiej strony, pomimo faktu, że SpaceX zrezygnował z włókna węglowego dla swojego statku kosmicznego, inna prywatna firma lotnicza o nazwie Rocket Lab właśnie ogłosiła budowę swojej nowej rakiety Neutron, która będzie rakietą wielokrotnego użytku wykonaną w całości z włókna węglowego.
W branży samochodowej
Od lat najszybsze samochody wyścigowe świata budowane są z włókna węglowego. Jest to nie tylko część zewnętrzna, będąca głównym materiałem, z którego tworzy się karoseria i błotniki, które utrzymują samochody przyklejone do podłoża podczas przyspieszania, ale także podwozie. W rzeczywistości od 60% do 70% masy konstrukcyjnej samochodu Formuły 1 McLarena składa się z włókna węglowego (nie licząc silnika, kół i skrzyni biegów).
W przypadku samochodów do użytku prywatnego tylko samochody z najwyższej półki, takie jak luksusowe samochody sportowe, wykorzystują włókno węglowe w jakiejś części nadwozia lub konstrukcji.
Przemysł morski
Zarówno niska waga, jak i wysoka odporność na korozję sprawiają, że kompozyty CFRP idealnie nadają się do budowy lekkich łodzi i superszybkich łodzi. Jednak obecnie coraz częściej wykorzystuje się je do budowy większych jednostek pływających, w tym jachtów i statków do użytku profesjonalnego.
Oprócz odporności chemicznej, która wymaga mniej konserwacji, oszczędność masy jest jednym z głównych powodów, dla których ten materiał penetruje tę branżę, zastępując inne opcje, takie jak aluminium, stal, a nawet inne związki polimerowe, takie jak włókno szklane.
W wysoce wyczynowych sportach
Jednym z najbardziej powszechnych i widocznych zastosowań włókna węglowego w sporcie jest budowa ram wyczynowych rowerów. Bez względu na to, jaka to gałąź kolarstwa, czy to kolarstwo górskie, zjazdowe czy szosowe na Tour de France, najlepsze rowery są prawie w całości wykonane z włókna węglowego.
Z drugiej strony włókno węglowe jest również wszechobecne w cienkich elementach konstrukcyjnych, które muszą być bardzo mocne, takich jak wysokiej klasy kije golfowe, wędki wyczynowe, rakiety tenisowe, a nawet rakiety do tenisa stołowego.
Bibliografia
Boeing 787 Dreamliner – przegląd . (nd). Science Direct. https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/boeing-787-dreamliner
Barta, C. (2018, 15 października). Włókno węglowe: informacje, struktura i właściwości . CarboSystem. https://carbosystem.com/fibra-de-carbono-2/
Gardiner, G. (2010, 30 listopada). Dlaczego CFK? świat kompozytów. https://www.compositesworld.com/articles/why-cfrp
Giurgiutiu, V. (2016, 1 stycznia). Monitorowanie stanu strukturalnego kompozytów lotniczych . Science Direct. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B9780124096059000015
Kopeliovich, D. (2012a, 2 czerwca). Kompozyty polimerowe wzmocnione włóknem węglowym [SubsTech] . SubsTech. https://www.substech.com/dokuwiki/doku.php?id=carbon_fiber_reinforced_polymer_composites
Gomez, JL (2021, 23 września). Co to jest włókno węglowe, ten materiał, który sam w sobie jest bezwartościowy, a który z żywicą jest wart wszystkiego . Diariomotor.com. https://www.diariomotor.com/que-es/tecnologia/fibra-de-carbono/
Kopeliovich, D. (2012b, 3 czerwca). Kompozyt epoksydowy wzmocniony w 70% włóknami węglowymi [SubsTech] . SubsTech. https://www.substech.com/dokuwiki/doku.php?id=epoxy_matrix_composite_reinforced_by_70_carbon_fibers
McLarena. (2020, 5 czerwca). Fascynująca historia włókna węglowego . Wyścigi McLarena. https://www.mclaren.com/racing/car/fascinating-story-carbon-fibre-1654987/
López, JC (2019, 30 czerwca). Włókno węglowe: co to jest i dlaczego jest tak atrakcyjne dla elektroniki użytkowej, jak dla aeronautyki lub . . 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. i Yin, W. (2019). Przegląd oporności/przewodności elektrycznej polimeru wzmocnionego włóknem węglowym. Nauk Stosowanych , 9 (11), 2390. https://www.mdpi.com/2076-3417/9/11/2390/htm
.){kind=link}