CFRP

Hiilikuitu ( CFRP , Carbon fiber , englannista  hiili -hiili) - polymeerikomposiittimateriaalit lomitetuista hiilikuitufilamenteista , jotka sijaitsevat polymeerimatriisissa (esimerkiksi epoksihartseissa ). Tiheys  - 1450 kg/m³ - 2000 kg/m³.

Materiaaleille on ominaista korkea lujuus, jäykkyys ja pieni paino, usein vahvempi kuin teräs ja paljon kevyempi. Erikoisominaisuuksiltaan se ylittää lujan teräksen, esimerkiksi seostetun rakenneteräksen 25KhGSA.

Korkeiden kustannusten, kustannussäästöjen ja maksimaalisen suorituskyvyn välttämättömyyden vuoksi tätä materiaalia käytetään vahvistavana lisäyksenä rakenteen päämateriaaliin.

Perustiedot

Hiilikuidun pääkomponentti on hiilikuitufilamentit , jotka koostuvat pääasiassa hiiliatomeista . Tällaiset langat ovat erittäin ohuita (halkaisijaltaan noin 0,005-0,010 mm [1] ), ne on erittäin helppo katkaista, mutta niiden katkaiseminen on melko vaikeaa. Näistä langoista kudotaan kankaat. Niillä voi olla erilainen kudontakuvio (kalanruoto, matto jne.).

Kankaan lujuuden lisäämiseksi hiililangat asetetaan kerroksittain, muuttaen joka kerta kudontasuunnan kulmaa. Kerrokset pidetään yhdessä epoksihartseilla .

Hiilifilamentteja saadaan yleensä lämpökäsittelyllä kemiallisia tai luonnonorgaanisia kuituja, joissa kuitumateriaaliin jää pääosin hiiliatomeja. Lämpökäsittely koostuu useista vaiheista:

1. Ensimmäinen niistä on alkuperäisen ( polyakryylinitriili , viskoosi ) kuidun hapetus ilmassa 250 °C:n lämpötilassa 24 tunnin ajan. Hapetuksen seurauksena muodostuu tikapuurakenteita.
2. Hapetusta seuraa hiiltymisvaihe  - kuidun kuumennus typessä tai argonissa lämpötilassa 800 - 1500 °C. Hiiltymisen seurauksena muodostuu grafiittimaisia ​​rakenteita.
3. Lämpökäsittelyprosessi päättyy grafitointiin lämpötilassa 1600-3000 °C, joka myös tapahtuu inertissä ympäristössä. Grafitisoinnin tuloksena kuidun hiilen määrä saadaan 99 %:iin.

Hiilifilamenttien valmistukseen voidaan käyttää tavanomaisten orgaanisten kuitujen (useimmiten viskoosin ja polyakryylinitriilin) ​​lisäksi fenolihartseista, ligniinistä , hiilestä ja maaöljypikeistä saatuja erikoiskuituja . Lisäksi hiilikuituosat ovat vahvempia kuin lasikuituosat , mutta samalla ne ovat paljon kalliimpia.

Hiilen korkea hinta johtuu ennen kaikkea monimutkaisemmasta tuotantoteknologiasta ja johdettujen materiaalien korkeammista kustannuksista. Esimerkiksi kerrosten mitoittamiseen käytetään kalliimpia ja laadukkaampia hartseja kuin lasikuidun kanssa työskenneltäessä, ja osien valmistukseen tarvitaan kalliimpia laitteita (esim. autoklaavi ).

Haitat

Hiilikuitumuovien valmistuksessa on noudatettava tiukasti teknisiä parametreja, joita rikkoen tuotteiden lujuusominaisuudet heikkenevät jyrkästi. Tuotteille tarvitaan monimutkaisia ​​ja kalliita laadunvalvontatoimenpiteitä (mukaan lukien ultraäänivirheiden havaitseminen , röntgenkuvaus, optinen holografia ja jopa akustinen testaus).

Toinen CFRP:n vakava haitta on niiden alhainen iskunkestävyys . Vieraiden esineiden iskujen aiheuttamat rakennevauriot (vaikka työkalu putoaa sen päälle) sisäisten halkeamien ja delaminaatioiden muodossa voivat olla silmälle näkymättömiä, mutta johtavat lujuuden heikkenemiseen; iskujen vaurioittaman rakenteen tuhoutuminen voi tapahtua jo suhteellisella muodonmuutoksella , joka on 0,5 % [2] .

Tuotanto

• Painamalla . Hiilikuitu vuorataan muottiin, joka on aiemmin voideltu tarttumattomalla aineella (esim. saippua, vaha , vaha bensiinissä, Cyatim-221 , silikonivoiteluaineet ). Kyllästetty hartsilla. Ylimääräinen hartsi poistetaan tyhjiössä (tyhjiömuovaus) tai paineen alaisena. Hartsi polymeroituu, joskus kuumennettaessa. Hartsin polymeroinnin jälkeen tuote on valmis.

• kosketusmuovaus . Puskurin valmistuksen esimerkissä: otetaan alkuperäinen metallinen puskuri, joka on voideltu erotuskerroksella. Sitten siihen ruiskutetaan asennusvaahtoa ( kipsiä , alabasteria ) . Poistettu kovettumisen jälkeen. Tämä on matriisi. Sitten se levitetään erotuskerroksella ja kangas levitetään. Kangas voi olla esikyllästetty tai se voidaan kyllästää harjalla tai kastelemalla suoraan matriisiin. Sitten kangas rullataan teloilla ilmakuplien tiivistämiseksi ja poistamiseksi. Sitten polymerointi (jos kovetin on kuumakovettuva , sitten uunissa, jos ei, sitten huoneenlämpötilassa - 25 ° C). Sitten puskuri poistetaan tarvittaessa - hiotaan ja maalataan.
• Tyhjiöinfuusio . Valmistetun matriisin päälle asetetaan hiilikangas (ilman kyllästämistä) , minkä jälkeen asetetaan teknologiset kerrokset sideaineen tasaista jakautumista varten. Teknologiapaketin alle käytetään tyhjiötä. Tämän jälkeen sideaineen syöttöventtiili avautuu ja tyhjiön vaikutuksesta täyttää tyhjiöt ja kyllästää hiilikankaan.
• Tyhjiömuodostus. Tämä on litteiden aihioiden (arkkien tai kalvojen) muodon muutos termoplastisesta polymeerimateriaalista korotetuissa lämpötiloissa ja altistumisesta tyhjiölle kolmiulotteisiksi muovatuiksi tuotteiksi. Teknisten laitteiden suhteellisen alhaisten kustannusten vuoksi tämä tekniikka on erittäin houkutteleva valmistettaessa tuoteeriä 10 - 5000 kappaletta ja joskus jopa 30 000 kappaletta.
• Pultruusio . Erittäin kuitutäytteisten komposiittiosien valmistustekniikka, joilla on vakio poikittaisrakenne. Tällä hetkellä sitä käytetään aktiivisesti polymeerikomposiittimateriaalien valmistuksessa, esimerkiksi hiililamellien (levyjen) valmistukseen.
• Kierto . Tekniikan ydin on esikyllästetyn rovingin (lasi, hiili, basaltti, yhdistetty) tai nauhan jatkuva käämitys esivalmistettuun muotoon - karaan. Kun tarvittava määrä kerroksia on kelattu, kara kierrettyjen kerrosten kanssa asetetaan kuumennusuuniin jatkopolymerointia varten.
• RTM. Kuiva lujitemateriaali asetetaan hermeettisesti suljetun jäykän laitteiston kahden osan väliin. Matalan viskositeetin omaavaa sideainetta ruiskutetaan paineen alaisena muottiin, joka pakottaa ilmaa kohti tyhjennyskanavia, kunnes muotti on täysin täytetty. Tämän tekniikan muotit valmistetaan tyypillisesti matalan CTE:n metallista. Tämä tekniikka sopii hyvin pienille ja keskisuurille sarjoille 500 - 20 000 kappaletta vuodessa.
• LFI . LFI (Long Fiber Injection) -teknologian kehitti saksalainen Krauss Maffei vuonna 1995. Tuotantoominaisuudet: Long Fiber Injection, prosessi, jota käytetään autojen sisä- ja ulkokomponenttien valmistukseen, joiden rakenne on monimutkainen muoto, suuret mitat ja luokan A maalattu pinta. Tässä prosessissa koottu rovingin katkottua kuitua ruiskutetaan lämpötilaan. -ohjattu muotti (matriisi). Samalla sekoitetaan nestemäistä isosyanaattia ja polyolia, syötetään yhdessä pilkotun kuidun kanssa matriisiin. Kaikki nämä komponentit ruiskutetaan muottiin (matriisiin), muotti suljetaan ja täytetään paisuvalla polyuretaanivaahdolla lisättyjen komponenttien kemiallisen reaktion seurauksena. Muutaman minuutin kuluttua polymerointi on valmis ja tuote voidaan poistaa matriisista.
• SMC/BMC. Materiaali leikataan leikkauskaavion mukaisesti ja siirretään käyttölämpötilaan kuumennettuun muottiin. Muotti sulkeutuu, jolloin materiaali virtaa paineen alaisena muotin onteloon ja kovettuu. Jakson lopussa tuote poistetaan muotista ja sen lopullinen koneistus ja maalaus (tarvittaessa) suoritetaan.

Putket ja muut sylinterimäiset tuotteet valmistetaan käämimällä. Kuitumuoto: lanka, nauha, kangas. Hartsi: epoksi tai polyesteri . Hiilikuidusta on mahdollista valmistaa muotit kotona, kokemuksella ja laitteilla.

Sovellus

CFRP:itä käytetään laajalti kevyiden mutta vahvojen osien valmistuksessa, jotka korvaavat metalleja, monissa tuotteissa avaruusalusten osista onkivapoihin, mukaan lukien:

• raketti- ja avaruusteknologia;
• lentokonetekniikka ( lentokonerakennus , helikopterirakennus (esimerkiksi roottorit));
• laivanrakennus ( laivat , urheilulaivojen rakennus ) ;
• autoteollisuus ( urheiluautot (esim. puskurit , kynnykset, ovet, konepellit), moottoripyörät, MotoGP-prototyypit, Formula 1 -autot ( ohjaamot ja suojukset) sekä salonkien suunnittelussa;
• tiede ja tutkimus;
• teräsbetonirakenteiden vahvistaminen ;
• urheiluvälineet ( rullaluistimet , polkupyörät , jalkapallokengät, jääkiekkomailat , lumilaudat , sukset , laskettelusauvat ja -saappaat, tennismailat , pöytätennisterät, luistimen terät , nuolet , purjelautailuvälineet , yksievät ), airot;
• Lääketieteelliset laitteet;
• proteesit
• kalastusvälineet (vavat);
• ammattimaiset valokuva- ja videojalustat;
• kodinkoneet (puhelinkotelot, kannettavat tietokoneet , taitettavat veitsen kahvat jne.);
• mallinnus;
• soittimien kielet ;
• yksittäisten jalkatukien valmistus (erityisesti urheiluun);
• käsityötyökalut (puikot);
• Hiili absorboi heikosti röntgensäteitä, joten siitä tehdään röntgen- ja laaja-alaisia ​​gamma-ilmaisimia (jonka kautta säteily pääsee ilmaisimeen).

Hiilinanoputkivahvisteiset polymeerit (CNRP)

Hiilinanoputket hiilikuidun pohjana ovat useita kertoja vahvempia, joustavampia kuin kumi ja jopa kevyempiä kuin O 2 . Materiaali eroaa suuresti perinteisestä hiilikuidusta . Tämän tyyppistä hiilikuitua käytetään erityisesti Lockheed Martin F-35 Lightning II -lentokoneen suunnittelussa .

Muistiinpanot

1. ↑ Hiilikuitu autoteollisuudessa - plussat ja miinukset . AutoRelease.ru . Haettu 15. syyskuuta 2009. Arkistoitu alkuperäisestä 23. elokuuta 2011. (määrätön)
2. ↑ Filippov V. Komposiittimateriaalien käyttö lentokoneteollisuudessa // Foreign Military Review. - 1988. - Nro 2 . - S. 49-50 . — ISSN 0134-921X .

Kirjallisuus

• J. Lubinin hakuteos "Composite materials", M., 1988