Въглеродните влакна композитен материал ли са? Пълно ръководство

Какво е въглеродни влакна?

Въглеродните влакна са високоефективен материал, изработен от тънки нишки от въглеродни атоми. Тези влакна обикновено са:

· Втъкани в тъкани (тъкан от въглеродни влакна)

· Подредени в еднопосочна (UD) форма

· Използва се като армировка в композитни конструкции

Основни свойства на въглеродните влакна

· Високо съотношение на якост към тегло (по-здраво от стомана при много по-ниско тегло)

· Висока твърдост (модул)

· Отлична устойчивост на умора

· Устойчивост на корозия

· Термична стабилност

Въпреки тези предимства, въглеродните влакна сами по себе си не са подходящи като самостоятелен структурен материал, тъй като им липсва кохезия и форма без свързваща матрица.

Какво е композитен материал?

Композитният материал се формира чрез комбиниране на два или повече различни материала за постигане на по-добра производителност от всеки отделен компонент.

Обикновено композитът се състои от:

· Подсилване (влакна като въглеродни влакна или стъклени влакна)

· Матрица (смола като епоксидна смола, полиестер или винилов естер)

Армировката осигурява здравина и твърдост, докато матрицата свързва всичко заедно и пренася натоварванията.

Кога въглеродните влакна се превръщат в композит?

Въглеродните влакна се превръщат в композит, когато се комбинират със система от полимерна смола.

Това води до:

Полимер, подсилен с въглеродни влакна (CFRP)

Структура на композити от въглеродни влакна

· Въглеродни влакна → носят натоварване на опън и осигуряват твърдост

· Матрица от смола → разпределя напрежението, предпазва влакната и поддържа формата

Без смола въглеродните влакна не могат да функционират като структурен материал. Следователно всички практични продукти от въглеродни влакна са всъщност композитни материали.

Видове композити от въглеродни влакна

Не всички композити от въглеродни влакна са еднакви. В зависимост от формата на влакното, системата от смола и производствения процес, CFRP може да бъде категоризиран в няколко типа:

По форма на влакна

· Тъкан плат от въглеродни влакна

Балансирана сила в множество посоки; широко използвани в структурни и козметични приложения

· Еднопосочни (UD) въглеродни влакна

Влакна, подредени в една посока; осигурява максимална здравина по оста на влакното

· Нетъкан материал от въглеродни влакна / Мат

Произволна ориентация; използвани за повърхностни слоеве или специфични индустриални приложения

По тип смола

· Системи от епоксидни смоли

Най-добро механично представяне; използвани в космическата промишленост и индустриите от висок клас

· Системи от полиестерни смоли

По-ниска цена; подходящ за общи индустриални приложения

· Системи от винилови естерни смоли

Добър баланс между цена и производителност; отлична устойчивост на корозия

Изборът на правилната комбинация от влакна и смола е от решаващо значение за ефективността.

Защо терминологията предизвиква объркване

Производствени процеси на композити от въглеродни влакна

Разбиране как въглеродните влакна се използват в композитите помага да се изясни защо не е самостоятелен материал.

1. Поставяне на ръце

· Ръчно поставяне на плат със смола

· Подходящ за производство в малки количества

2. Вакуумна инфузия (VARTM)

· Смола, влята под вакуум

· Широко използван в морската и вятърната енергия

3. Препрег + Автоклав

· Предварително импрегнирани влакна, втвърдени под налягане

· Използва се в аерокосмическите и високоефективни приложения

4. Прехвърляне на смола (RTM / LRTM)

· Процес на затворена форма

· Висока консистенция и ефективност

Въглеродни влакна срещу композити от фибростъкло

Композитите от въглеродни влакна често се сравняват с композитите от фибростъкло.

Собственост	Композит от въглеродни влакна	Композит от фибростъкло
Сила и твърдост	Много високо	Умерен
Тегло	По-ниска	По-високо
цена	По-високо	По-ниска
Електрическа проводимост	Проводим	Изолиращ
Приложения	Космонавтика, автомобилостроене	Морска, строителна

Избор между тях

· Изберете въглеродни влакна, когато производителността и теглото са критични

· Изберете фибростъкло, когато рентабилността е приоритет

Композитни материали от въглеродни влакна срещу метал (стомана и алуминий)

Композитите от въглеродни влакна също се сравняват широко с традиционните метали:

Собственост	Композит от въглеродни влакна	Стомана	Алуминий
Плътност	Много ниско	високо	Среден
Съотношение якост към тегло	Отлично	Умерен	добре
Устойчивост на корозия	Отлично	беден	добре
Устойчивост на умора	Много високо	Умерен	Умерен
Гъвкавост на дизайна	високо	Ограничен	Ограничен

В приложения, чувствителни към теглото, въглеродните влакна значително превъзхождат металите.

Предимства на композитите от въглеродни влакна

· Значително намаляване на теглото

· Превъзходни механични характеристики

· Отлична устойчивост на умора

· Дълъг експлоатационен живот

· Гъвкавост на дизайна (възможни са сложни форми)

Ограничения на композитите от въглеродни влакна

· По-висока цена в сравнение с фибростъкло и метали

· Чупливо поведение при отказ

· Сложни производствени процеси

· Трудно рециклиране

Съображения за проектиране при използване на въглеродни влакна

Какво определя цената на композитите от въглеродни влакна?

Високата цена идва от:

· Енергоемко производство на сурови влакна

· Високоефективни системи от смола

· Усъвършенствани производствени процеси

· Изисквания за квалифицирана работна ръка

· По-нисък производствен мащаб

Разходите за жизнения цикъл обаче могат да бъдат по-ниски поради дълготрайност и спестяване на тегло.

Устойчивост и рециклиране

· Дългият експлоатационен живот намалява честотата на смяна

· Леките конструкции намаляват консумацията на енергия

· Технологиите за рециклиране включват:

o Механично рециклиране

o Пиролиза

o Солволиза

Рециклираните въглеродни влакна (rCF) стават все по-важни.

Типични приложения на композити от въглеродни влакна

Космонавтика

· Авиационни конструкции

· Интериорни компоненти

Автомобилна

· Леки панели на тялото

· Конструктивни укрепвания

Вятърна енергия

· Структурни компоненти

морски

· Корпуси и палуби

Спорт и свободно време

· Велосипеди, ракети, каски

Индустриален

· Ролки, резервоари, конструктивни части

Защо това разграничение има значение за купувачите

Разбирането на разликата между въглеродни влакна и композити помага:

· Подобрете избора на материали

· Изберете правилни методи за обработка

· Контрол на разходите и производителността

· Избягвайте неправилна комуникация с доставчика

Това, от което всъщност се нуждаете, не е 'въглеродни влакна', а композитно решение от въглеродни влакна.

Избор на правилния доставчик на въглеродни влакна

Когато се снабдявате с материали от въглеродни влакна, е важно да работите с доставчик, който може да осигури:

· Постоянно качество на материала

· Техническа поддръжка

· Персонализирани спецификации

· Стабилни дългосрочни доставки

Професионален доставчик може да ви помогне да изберете най-подходящото композитно решение за вашето приложение.

Заключение

Самото въглеродно влакно не е композитен материал - то е подсилващо влакно.

Въпреки това, когато се комбинира със смола, той образува:

Полимер, подсилен с въглеродни влакна (CFRP)

В реални приложения почти всички продукти от 'въглеродни влакна' всъщност са композитни материали.

Разбирането на това разграничение е от съществено значение за решенията за инженеринг, дизайн и покупка.

ЧЗВ

Въглеродните влакна по-здрави ли са от стоманата?
Да, композитите от въглеродни влакна имат по-високо съотношение якост към тегло от стоманата.

Въглеродните влакна вид пластмаса ли са?
Често се класифицира като полимерен композит поради матрицата от смола, но се представя много повече от типичните пластмаси.

Могат ли да се използват въглеродни влакна без смола?
Не, изисква се матричен материал, за да функционира структурно.

Защо въглеродните влакна са толкова скъпи?
Поради производството на суровини, потреблението на енергия и сложното производство.

Какво е CFRP?
Полимер, подсилен с въглеродни влакна, най-разпространеният композит от въглеродни влакна.

Могат ли въглеродните влакна да заменят напълно метала?
Не винаги; зависи от разходите, дизайна и изискванията за приложение.