CFRP

Karbonové vlákno ( CFRP , Carbon fiber , z anglického  carbon - carbon) - polymerní kompozitní materiály z prokládaných vláken uhlíkových vláken umístěných v matrici z polymerních (například epoxidových ) pryskyřic. Hustota  - od 1450 kg/m³ do 2000 kg/m³.

Materiály se vyznačují vysokou pevností, tuhostí a nízkou hmotností, často pevnější než ocel a mnohem lehčí. Pokud jde o specifické vlastnosti, předčí vysokopevnostní ocel, například legovanou konstrukční ocel 25KhGSA.

Vzhledem k vysokým nákladům, úsporám nákladů a bez nutnosti dosažení maximálního výkonu se tento materiál používá jako výztužné doplňky k hlavnímu materiálu konstrukce.

Základní informace

Hlavní složkou uhlíkových vláken jsou uhlíková vlákna skládající se převážně z uhlíkových atomů . Takové závity jsou velmi tenké (průměr cca 0,005-0,010 mm [1] ), je velmi snadné je přetrhnout, ale je poměrně obtížné je přetrhnout. Z těchto nití jsou tkané látky. Mohou mít jiný vzor tkaní (rybí kost, rohož atd.).

Pro ještě větší pevnost tkaniny jsou uhlíkové nitě položeny ve vrstvách, přičemž se pokaždé mění úhel směru tkaní. Vrstvy drží pohromadě epoxidovými pryskyřicemi .

Uhlíková vlákna se obvykle získávají tepelným zpracováním chemických nebo přírodních organických vláken, ve kterých ve vláknitém materiálu zůstávají hlavně atomy uhlíku. Tepelné zpracování se skládá z několika fází:

1. Prvním z nich je oxidace původního ( polyakrylnitrilového , viskózového ) vlákna na vzduchu při teplotě 250 °C po dobu 24 hodin. V důsledku oxidace vznikají žebříkové struktury.
2. Po oxidaci následuje fáze karbonizace  - ohřev vlákna v dusíku nebo argonu při teplotách od 800 do 1500 °C. V důsledku karbonizace vznikají struktury podobné grafitu.
3. Proces tepelného zpracování končí grafitizací při teplotě 1600-3000 °C, která rovněž probíhá v inertním prostředí. V důsledku grafitizace se množství uhlíku ve vláknu dostane na 99 %.

Kromě klasických organických vláken (nejčastěji viskózy a polyakrylonitrilu) lze k výrobě uhlíkových vláken použít speciální vlákna z fenolových pryskyřic, ligninu , uhlí a ropných smol . Kromě toho jsou díly z uhlíkových vláken pevnější než díly ze skleněných vláken , ale zároveň jsou mnohem dražší.

Vysoká cena uhlíku je způsobena především složitější technologií výroby a vyšší cenou odvozených materiálů. Například pro klížení vrstev se používají dražší a kvalitnější pryskyřice než při práci se skleněným vláknem a pro výrobu dílů je potřeba dražší zařízení (např. autokláv ).

Nevýhody

Při výrobě plastů z uhlíkových vláken je nutné striktně dodržovat technologické parametry, při jejichž porušení se výrazně snižují pevnostní vlastnosti výrobků. Produkty vyžadují komplexní a nákladná opatření pro kontrolu kvality (včetně ultrazvukové detekce defektů , rentgenového záření, optické holografie a dokonce i akustického testování).

Další vážnou nevýhodou CFRP je jejich nízká odolnost proti nárazu . Strukturální poškození způsobené nárazy cizích předmětů (i když na něj spadne nástroj) ve formě vnitřních trhlin a delaminací mohou být okem neviditelné, ale vedou ke snížení pevnosti; k destrukci konstrukce poškozené rázy může dojít již při relativní deformaci rovné 0,5 % [2] .

Výroba

• Stisknutím tlačítka . Uhlíkové vlákno je vyloženo ve formě předem namazané antiadhezivem (např. mýdlem, voskem , voskem v benzínu, Cyatim-221 , silikonovými mazivy ). Impregnováno pryskyřicí. Přebytečná pryskyřice se odstraní ve vakuu (vakuové tvarování) nebo pod tlakem. Pryskyřice polymeruje, někdy při zahřátí. Po polymeraci pryskyřice je produkt připraven.

• kontaktní lisování . Na příkladu výroby nárazníku: je vzat kovový originální nárazník, namazaný separační vrstvou. Poté se na něj nastříká montážní pěna ( sádra , alabastr ) . Po vytvrzení odstraněn. Toto je matrice. Poté se potře separační vrstvou a látka se rozloží. Tkanina může být předem impregnována nebo může být impregnována štětcem nebo zaléváním přímo do matrice. Poté se látka naválcuje pomocí válečků, aby se zhutnily a odstranily vzduchové bubliny. Poté polymerace (pokud tvrdidlo vytvrzuje za tepla , pak v peci, pokud ne, pak při pokojové teplotě - 25 ° C). Poté je nárazník v případě potřeby odstraněn - broušen a lakován.
• Vakuová infuze . Na připravenou matrici se položí uhlíková tkanina (bez impregnace) , následně se položí technologické vrstvy pro rovnoměrné rozložení pojiva. Pod technologickým obalem je aplikováno vakuum. Poté se otevře přívodní ventil pojiva a působením vakua vyplní dutiny a impregnuje uhlíkovou tkaninu.
• Vakuové tvarování. Jedná se o změnu tvaru plochých polotovarů (listů nebo fólií) z termoplastického polymerního materiálu při zvýšených teplotách a působení vakua na trojrozměrné lisované výrobky. Vzhledem k relativně nízkým nákladům na technologické vybavení je tato technologie mimořádně atraktivní při výrobě šarží výrobků od 10 do 5000 kusů, někdy až 30 000 kusů.
• Pultruze . Technologie výroby vysoce vlákny plněných kompozitních dílů s konstantní příčnou strukturou. V současné době se aktivně využívá při výrobě polymerních kompozitních materiálů, například pro výrobu uhlíkových lamel (desek).
• Navíjení . Podstata technologie spočívá v kontinuálním navíjení předimpregnovaných rovingů (sklo, uhlík, čedič, kombinované) nebo pásky na předem připravenou formu - trn. Po navinutí potřebného počtu vrstev je trn s navinutými vrstvami umístěn do ohřívací pece k další polymeraci.
• RTM. Suchý armovací materiál je umístěn mezi dvě části hermeticky uzavřeného tuhého zařízení. Pojivo s nízkou viskozitou se vstřikuje pod tlakem do formy a tlačí vzduch směrem k odvodňovacím kanálkům, dokud není forma zcela naplněna. Formy pro tuto technologii jsou obvykle vyrobeny z kovu s nízkým CTE. Tato technologie je vhodná pro malé a střední série od 500 do 20 000 položek ročně.
• LFI . Technologie LFI (Long Fiber Injection) byla vyvinuta německou společností Krauss Maffei v roce 1995. Výrobní charakteristika: Long Fiber Injection, proces používaný pro výrobu interiérových a exteriérových komponentů automobilů, jejichž struktura má složitý tvar, velké rozměry a lakovaný povrch třídy A. Při tomto procesu je nasekané vlákno ze sestaveného rovingu nastříkáno do teploty -řízená forma (matrice). Současně se smísí kapalný isokyanát a polyol, které se spolu s nasekanou vlákninou přivádějí do matrice. Všechny tyto komponenty jsou nastříkány do formy (matrice), forma je uzavřena a vyplněna expandující polyuretanovou pěnou v důsledku chemické reakce vnášených komponent. O několik minut později je polymerace dokončena a produkt může být odstraněn z matrice.
• SMC/BMC. Materiál je nařezán podle řezacího schématu a přenesen do formy zahřáté na provozní teplotu. Forma se uzavře, což způsobí, že materiál proudí pod tlakem do dutiny formy a vytvrzuje. Na konci cyklu se výrobek vyjme z formy a provede se jeho konečné opracování a lakování (pokud je to nutné).

Trubky a další válcové výrobky se vyrábějí navíjením. Forma vlákna: nit, stuha, tkanina. Pryskyřice: epoxid nebo polyester . Je možné vyrábět formy z uhlíkových vláken doma, se zkušenostmi a vybavením.

Aplikace

CFRP se široce používají při výrobě lehkých, ale pevných dílů, které nahrazují kovy, v mnoha produktech od dílů kosmických lodí po rybářské pruty, včetně:

• raketové a kosmické technologie;
• letecká technika ( výroba letadel , výroba vrtulníků (například rotorů));
• stavba lodí ( lodě , stavba sportovních lodí );
• automobilový průmysl ( sportovní vozy (např. nárazníky , prahy, dveře, kryty kapot), motocykly, prototypy MotoGP, vozy Formule 1 ( kokpity a kapotáže), jakož i v designu salonů;
• věda a výzkum;
• vyztužení železobetonových konstrukcí;
• sportovní potřeby ( kolečkové brusle , jízdní kola , kopačky , hokejky , snowboardy , lyže , lyžařské hůlky a boty , tenisové rakety , nože na stolní tenis, brusle , šipky , windsurfingové vybavení , monoploutve), vesla;
• Lékařské vybavení;
• protéza
• rybářské náčiní (pruty);
• profesionální foto a video stativy;
• domácí spotřebiče (dokončování pouzder na telefony, notebooky , rukojeti skládacích nožů atd.);
• modelování;
• Struny pro hudební nástroje;
• výroba individuálních podpěr nártu (zejména pro sport);
• Vyšívací nástroje (pletací jehlice);
• Uhlík slabě pohlcuje rentgenové záření, proto se z něj vyrábějí okénka rentgenových a širokorozsahových gama detektorů (kterými do detektoru vstupuje záření).

Polymery vyztužené uhlíkovými nanotrubičkami (CNRP)

Uhlíkové nanotrubice jako základ uhlíkových vláken jsou několikanásobně pevnější, pružnější než pryž a dokonce lehčí než O 2 . Materiál je velmi odlišný od konvenčních uhlíkových vláken . Tento typ uhlíkových vláken se používá zejména v konstrukci letounu Lockheed Martin F-35 Lightning II .

Poznámky

1. ↑ Uhlíková vlákna v automobilovém průmyslu – klady a zápory . AutoRelease.ru . Získáno 15. září 2009. Archivováno z originálu 23. srpna 2011. (neurčitý)
2. ↑ Filippov V. Použití kompozitních materiálů v leteckém průmyslu // Foreign Military Review. - 1988. - č. 2 . - S. 49-50 . — ISSN 0134-921X .

Literatura

• Referenční kniha J. Lubina "Kompozitní materiály", M., 1988