Kas süsinikkiud on plasti tüüp?

Mis on süsinikkiud?

Süsinikkiud on täiustatud tehniline materjal, mis on valmistatud väga õhukestest filamentidest, mis koosnevad peamiselt süsinikuaatomitest. Iga hõõgniidi läbimõõt on tavaliselt 5–10 mikronit, mis on inimese juuksekarvast õhem. Tuhanded neist filamentidest on kokku pandud, et moodustada süsinikkiust takud, mida saab seejärel kangasteks kududa või kasutada komposiitide valmistamisel.

Enamik kaubanduslikke süsinikkiude toodetakse lähteainest, mida nimetatakse polüakrüülnitriiliks (PAN). Tootmisprotsess hõlmab mitmeid keerulisi etappe, mis muudavad lähtekiud tugevateks süsinikfilamentideks.

Tüüpiline protsess hõlmab järgmist:

Pärast neid samme saavutavad kiud märkimisväärsed mehaanilised omadused.

Kinnisvara	Tüüpiline väärtus
Tihedus	~1,7–1,9 g/cm³
Tõmbetugevus	Kuni 7 GPa
Elastne moodul	Kuni 600 GPa
Tugevuse ja kaalu suhe	Äärmiselt kõrge

Nende omaduste tõttu kasutatakse süsinikkiudu laialdaselt tugevdusmaterjalina täiustatud komposiitstruktuurides, kus kõrge tugevus ja väike kaal on kriitilise tähtsusega.

Mida tähendab 'plast' komposiitmaterjalides?

Igapäevases kasutuses viitab plast tavaliselt tavalistele materjalidele, nagu polüetüleen, polüpropüleen või ABS. Neid materjale kasutatakse laialdaselt pakendites, tarbekaupades ja vormitud toodetes.

Komposiitide valmistamisel viitab sõna 'plast' aga tavaliselt polümeervaikudele, mis toimivad komposiidis maatriksmaterjalina.

Levinud vaigud hõlmavad järgmist: süsinikkiuga kasutatavad

Epoksüvaik – kasutatakse laialdaselt kosmosetööstuses ja suure jõudlusega struktuurides

Polüestervaik – kasutatakse tavaliselt mere- ja üldistes komposiitrakendustes

Vinüülestervaik – tuntud hea korrosioonikindluse poolest

Termoplastsed vaigud – kasutatakse täiustatud tootmisprotsessides

Need vaigud mängivad mitut olulist rolli:

Kiudude sidumine kokku kindlaks struktuuriks

Koormuste ülekandmine üksikute kiudude vahel

Kiudude kaitsmine niiskuse, kemikaalide ja keskkonnakahjustuste eest

Komponendi lõpliku kuju andmine

Ilma vaiguta ei saaks süsinikkiust kangad või kimbud moodustada jäikaid konstruktsiooniosi.

Kuidas süsinikkiud ja plast komposiitides koos töötavad

Süsinikkiud ja vaik täidavad komposiitmaterjalis erinevaid, kuid üksteist täiendavaid funktsioone.

Süsinikkiud ise on kogu pikkuses äärmiselt tugevad, kuid ei suuda ilma toeta kuju hoida. Vaigumaatriks ümbritseb kiude ja lukustab need oma kohale, võimaldades materjalil toimida ühe konstruktsioonikomponendina.

Kombineerituna moodustavad need süsinikkiust tugevdatud polümeeri, mis on üks enim kasutatavaid suure jõudlusega komposiitmaterjale.

Selles struktuuris:

Süsinikkiud vs plast: peamised erinevused

Kuigi süsinikkiust komposiidid sisaldavad polümeervaiku, erineb süsinikkiud ise põhimõtteliselt tavapärastest plastmaterjalidest.

Funktsioon	Süsinikkiud	Plastikust
Materjali tüüp	Tugevduskiud	Polümeerne materjal
Tugevus	Äärmiselt kõrge	Mõõdukas
Jäikus	Väga kõrge	Tavaliselt madalam
Kaal	Väga kerge	Valgus
Kuumakindlus	Kõrge	Sageli madalam
Struktuurne võimekus	Suurepärane	Piiratud

Nende erinevuste tõttu kasutatakse süsinikkiust komposiite rakendustes, kus tavalised plastid ei suuda tagada piisavat struktuurilist jõudlust.

Miks peetakse süsinikkiudu sageli plastikuga?

Paljud inimesed eeldavad süsinikkiud on plastik, kuna süsinikkiust tooted näevad välja ja kuidas neid valmistatakse.

Üks põhjus on pinna välimus. Süsinikkiust komponentidel on sageli sile, läikiv pinnaviimistlus, mis meenutab vormitud plasti. See on eriti levinud tarbekaupade puhul.

Teine põhjus on vaigusisaldus. Kuna komposiitide valmistamisel kasutatakse polümeervaikusid, eeldavad inimesed mõnikord, et kogu materjal on plastik.

Süsinikkiudkomposiitide eelised võrreldes plastidega

Süsinikkiust komposiidid pakuvad traditsiooniliste plastmaterjalide ees mitmeid eeliseid.

Kõrgem tugevuse ja kaalu suhe

Süsinikkiust komposiidid võivad pakkuda oluliselt suuremat tugevust, säilitades samal ajal väikese kaalu, mis on kriitiline sellistes tööstusharudes nagu lennundus ja autotööstus.

Parem jäikus

Süsinikkiudmaterjalid on palju jäigemad kui enamik plastikust, võimaldades inseneridel kujundada kergeid konstruktsioone ilma liigse deformatsioonita.

Parem väsimuskindlus

Süsinikkiust komposiidid taluvad korduvaid pingetsükleid paremini kui paljud plastid, mistõttu need sobivad konstruktsioonilisteks rakendusteks.

Suurepärane korrosioonikindlus

Erinevalt metallidest ei roosteta süsinikkiust komposiidid ja toimivad hästi mere- või keemiliselt agressiivses keskkonnas.

Nende eeliste tõttu asendavad süsinikkiust komposiidid suure jõudlusega insenerirakendustes üha enam traditsioonilisi materjale.

Süsinikkiudkomposiitide levinumad rakendused

Tänu suurepärasele tugevuse ja kaalu suhtele kasutatakse süsinikkiust komposiite laialdaselt paljudes arenenud tööstusharudes.

Tüüpilised rakendused hõlmavad järgmist:

Lennundus

lennuki konstruktsioonikomponendid

satelliitstruktuurid

suure jõudlusega siseosad

Autotööstus

kerged kerepaneelid

jõudlusega šassii komponendid

struktuursed tugevdused

Meremees

paadi kered

mastid ja struktuurlaminaadid

korrosioonikindlad komponendid

UAV ja droonid

kerged raamid

struktuursed relvad

kõrge jäikusega paneelid

Need tööstusharud nõuavad materjale, mis ühendavad kerge kaalu, suure tugevuse ja pikaajalise vastupidavuse, muutes süsinikkiust komposiidid ideaalseks lahenduseks.

Järeldus

Süsinikkiud ei ole plastiliik. See on ülitugev tugevduskiud, mis on valmistatud peamiselt süsinikuaatomitest, mis on paigutatud kristallisse struktuuri.

Kuid enamik süsinikkiust tooteid ühendab need kiud polümeervaikudega, moodustades süsinikkiust tugevdatud polümeeri, komposiitmaterjali, millel on erakordne mehaaniline jõudlus.

Ühendades süsinikkiudude tugevuse polümeervaikude mitmekülgsusega, saavad tootjad luua kergeid ja vastupidavaid komponente, mida kasutatakse tööstusharudes alates kosmose- ja autotööstusest kuni meretehnika ja mehitamata õhusõidukite tootmiseni.