CFRP

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 9 november 2016; kontroller kräver 48 redigeringar .

Kolfiber ( CFRP , Carbon fiber , från engelskan  kol -kol) - polymerkompositmaterial från sammanflätade kolfiberfilament belägna i en matris av polymerhartser (till exempel epoxi ). Densitet  - från 1450 kg/m³ till 2000 kg/m³.

Materialen kännetecknas av hög hållfasthet, styvhet och låg vikt, ofta starkare än stål och mycket lättare. När det gäller specifika egenskaper överträffar den höghållfast stål, till exempel legerat konstruktionsstål 25KhGSA.

På grund av den höga kostnaden, med kostnadsbesparingar och inget behov av att få maximal prestanda, används detta material som förstärkande tillägg till strukturens huvudmaterial.

Grundläggande information

Huvudkomponenten i kolfiber är kolfiberfilament , huvudsakligen bestående av kolatomer . Sådana trådar är mycket tunna (cirka 0,005-0,010 mm i diameter [1] ), det är mycket lätt att bryta dem, men det är ganska svårt att bryta dem. Tyger vävs av dessa trådar. De kan ha ett annat vävmönster (fiskben, mattor etc.).

För att ge ännu större styrka till tyget läggs koltrådar i lager, varje gång ändra vinkeln på vävriktningen. Skikten hålls samman med epoxihartser .

Kolfilament erhålls vanligtvis genom värmebehandling av kemiska eller naturliga organiska fibrer, där huvudsakligen kolatomer finns kvar i fibermaterialet. Värmebehandling består av flera steg:

1. Den första av dem är oxidationen av den ursprungliga ( polyakrylnitril , viskos ) fibern i luft vid en temperatur av 250 ° C i 24 timmar. Som ett resultat av oxidation bildas stegstrukturer.
2. Oxidation följs av karboniseringsstadiet  - uppvärmning av fibern i kväve eller argon vid temperaturer från 800 till 1500 °C. Som ett resultat av karbonisering bildas grafitliknande strukturer.
3. Värmebehandlingsprocessen avslutas med grafitisering vid en temperatur på 1600-3000 °C, vilket också sker i en inert miljö. Som ett resultat av grafitisering bringas mängden kol i fibern till 99%.

Förutom konventionella organiska fibrer (oftast viskos och polyakrylnitril) kan specialfibrer från fenolhartser, lignin , kol och petroleumbeck användas för att producera kolfilament . Dessutom är kolfiberdelar starkare än glasfiberdelar , men samtidigt är de mycket dyrare.

Den höga kostnaden för kol orsakas först av allt av mer komplex produktionsteknik och de högre kostnaderna för härledda material. Till exempel används dyrare och högkvalitativa hartser för limning av lager än när man arbetar med glasfiber, och dyrare utrustning krävs för tillverkning av delar (till exempel en autoklav ).

Nackdelar

Vid produktion av kolfiberplast är det nödvändigt att strikt följa de tekniska parametrarna, i strid med vilka produkternas hållfasthetsegenskaper reduceras kraftigt. Komplexa och dyra kvalitetskontrollåtgärder behövs för produkter (inklusive ultraljudsdetektering av fel , röntgen, optisk holografi och till och med akustisk testning).

En annan allvarlig nackdel med CFRP är deras låga slagtålighet . Strukturella skador orsakade av stötar från främmande föremål (även när ett verktyg faller på det) i form av inre sprickor och delaminering kan vara osynliga för ögat, men leda till en minskning av styrkan; förstörelsen av en struktur skadad av stötar kan ske redan vid en relativ deformation lika med 0,5 % [2] .

Produktion

• Trycker på . Kolfibern är fodrad i en form som tidigare har smords med ett anti-adhesiv (t.ex. tvål, vax , vax i bensin, Cyatim-221 , silikonsmörjmedel ). Impregnerad med harts. Överskott av harts avlägsnas under vakuum (vakuumformning) eller under tryck. Hartset polymeriserar, ibland vid upphettning. Efter polymerisationen av hartset är produkten klar.

• kontaktgjutning . På exemplet med tillverkning av en stötfångare: en original stötfångare av metall tas, smord med ett separerande skikt. Därefter sprayas monteringsskum ( gips , alabaster ) på den . Tas bort efter härdning. Detta är en matris. Sedan smetas det med ett separerande lager och tyget läggs ut. Tyget kan vara förimpregnerat, eller det kan impregneras med en borste eller genom vattning direkt i matrisen. Sedan rullas tyget med rullar för att kompaktera och ta bort luftbubblor. Sedan polymerisation (om härdaren är varmhärdande , sedan i ugnen, om inte, då vid rumstemperatur - 25 ° C). Sedan tas stötfångaren bort, vid behov - slipas och målas.
• Vakuuminfusion . Ett koltyg (utan impregnering) läggs ut på den förberedda matrisen , sedan läggs tekniska lager ut för enhetlig fördelning av bindemedlet. Ett vakuum appliceras under det tekniska paketet. Därefter öppnas bindemedelstillförselventilen och under inverkan av vakuum fyller den hålrummen och impregnerar koltyget.
• Vakuumformning. Detta är en förändring i formen av plana ämnen (ark eller filmer) från ett termoplastiskt polymermaterial vid förhöjda temperaturer och exponering för vakuum till tredimensionella gjutna produkter. På grund av den relativt låga kostnaden för teknisk utrustning är denna teknik extremt attraktiv vid tillverkning av partier av produkter från 10 till 5000 stycken, och ibland upp till 30 000 stycken.
• Pultrusion . Tillverkningsteknik av högfiberfyllda kompositdetaljer med konstant tvärstruktur. För närvarande används det aktivt vid produktion av polymerkompositmaterial, till exempel för produktion av kollameller (plattor).
• Slingrande . Kärnan i tekniken ligger i den kontinuerliga lindningen av förimpregnerade roving /s (glas, kol, basalt, kombinerat) eller tejp på en förberedd form - en dorn. Efter lindning av det erforderliga antalet skikt placeras dornen med de lindade skikten i en värmeugn för ytterligare polymerisation.
• RTM. Torrt förstärkningsmaterial placeras mellan två delar av hermetiskt tillsluten stel utrustning. Ett bindemedel med låg viskositet injiceras under tryck i formen, vilket tvingar luft mot dräneringskanalerna tills formen är helt fylld. Formar för denna teknik är vanligtvis gjorda av metall med låg CTE. Denna teknik är väl lämpad för små och medelstora serier från 500 till 20 000 artiklar per år.
• LFI . LFI-tekniken (Long Fiber Injection) utvecklades av det tyska företaget Krauss Maffei 1995. Produktionsegenskaper: Long Fiber Injection, en process som används för tillverkning av interiöra och exteriöra komponenter i bilar, vars struktur har en komplex form, stora dimensioner och målad yta av klass A. I denna process sprutas hackad fiber från sammansatt roving in i en temperatur -kontrollerad mögel (matris). Samtidigt blandas flytande isocyanat och polyol, matas tillsammans med hackad fiber in i matrisen. Alla dessa komponenter sprutas in i en form (matris), formen stängs och fylls genom att expandera polyuretanskum som ett resultat av en kemisk reaktion av de införda komponenterna. Några minuter senare är polymerisationen avslutad och produkten kan avlägsnas från matrisen.
• SMC/BMC. Materialet skärs i enlighet med skärschemat och överförs till en form uppvärmd till driftstemperatur. Formen stängs, vilket gör att materialet flyter under tryck in i formhåligheten och härdar. I slutet av cykeln tas produkten bort från formen och dess slutliga bearbetning och målning (om nödvändigt) utförs.

Rör och andra cylindriska produkter tillverkas genom lindning. Fiberform: tråd, band, tyg. Harts: epoxi eller polyester . Det går att tillverka formar av kolfiber hemma, med erfarenhet och utrustning.

Applikation

CFRP används i stor utsträckning vid tillverkning av lätta men starka delar, som ersätter metaller, i många produkter från rymdskeppsdelar till fiskespön, inklusive:

• raket- och rymdteknik;
• flygplansteknik ( flygplansbyggnad , helikopterbyggnad (till exempel rotorer));
• skeppsbyggnad ( fartyg , sportvarvsbyggnad ) ;
• bilindustrin ( sportbilar (t.ex. stötfångare , trösklar, dörrar, huvkåpor), motorcyklar, MotoGP-prototyper, Formel 1 -bilar ( cockpits och kåpor), såväl som i design av salonger;
• vetenskap och forskning;
• förstärkning av armerade betongkonstruktioner ;
• sportutrustning ( rullskridskor , cyklar , fotbollsskor, hockeyklubbor , snowboards , skidor , skidstavar och pjäxor, tennisracketar , bordtennisblad, skridskoblad , pilar , vindsurfingutrustning , monofenor ), åror;
• Medicinsk utrustning;
• proteser
• fiskeredskap (spön);
• professionella foto- och videostativ;
• hushållsapparater (efterbehandling av telefonfodral, bärbara datorer , fällbara knivhandtag, etc.);
• modellering;
• Strängar för musikinstrument;
• produktion av individuella vriststöd (särskilt för sport);
• handarbetsverktyg (stickor);
• Kol absorberar svagt röntgenstrålar, så fönster av röntgenstrålning och breda gammadetektorer (genom vilken strålning kommer in i detektorn) är gjorda av det.

Kolnanorörsförstärkta polymerer (CNRP)

Kolnanorör , som bas för kolfiber, är flera gånger starkare, mer flexibla än gummi och till och med lättare än O 2 . Materialet skiljer sig mycket från konventionella kolfiber . Denna typ av kolfiber används i synnerhet i designen av Lockheed Martin F-35 Lightning II-flygplanet .

Anteckningar

1. ↑ Kolfiber i bilindustrin - fördelarna och nackdelarna . AutoRelease.ru . Hämtad 15 september 2009. Arkiverad från originalet 23 augusti 2011. (obestämd)
2. ↑ Filippov V. Användningen av kompositmaterial i flygplansindustrin // Foreign Military Review. - 1988. - Nr 2 . - S. 49-50 . — ISSN 0134-921X .

Litteratur

• Uppslagsbok av J. Lubin "Composite materials", M., 1988