CFRP

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 9. november 2016; checks kræver 48 redigeringer .

Kulfiber ( CFRP , kulfiber , fra det engelske  carbon -carbon) - polymer kompositmaterialer fra sammenflettede carbonfiberfilamenter placeret i en matrix af polymer (for eksempel epoxy ) harpikser. Massefylde  - fra 1450 kg/m³ til 2000 kg/m³.

Materialerne er kendetegnet ved høj styrke, stivhed og lav vægt, ofte stærkere end stål , og meget lettere. Med hensyn til specifikke egenskaber overgår det højstyrkestål, for eksempel legeret konstruktionsstål 25KhGSA.

På grund af de høje omkostninger, med omkostningsbesparelser og intet behov for at opnå maksimal ydeevne, bruges dette materiale som forstærkende tilføjelser til strukturens hovedmateriale.

Grundlæggende information

Hovedbestanddelen af ​​kulfiber er kulfiberfilamenter , der hovedsageligt består af kulstofatomer . Sådanne tråde er meget tynde (ca. 0,005-0,010 mm i diameter [1] ), det er meget nemt at bryde dem, men det er ret svært at bryde dem. Stoffer er vævet af disse tråde. De kan have et andet vævemønster (sildeben, måtter osv.).

For at give stoffet endnu større styrke lægges carbontråde i lag, hver gang vinklen på vævningsretningen ændres. Lagene holdes sammen med epoxyharpikser .

Kulfilamenter opnås sædvanligvis ved varmebehandling af kemiske eller naturlige organiske fibre, hvori hovedsageligt kulstofatomer forbliver i fibermaterialet. Varmebehandling består af flere faser:

1. Den første af dem er oxidationen af ​​den originale ( polyacrylonitril , viskose ) fiber i luft ved en temperatur på 250 ° C i 24 timer. Som et resultat af oxidation dannes stigestrukturer.
2. Oxidation efterfølges af carboniseringsstadiet  - opvarmning af fiberen i nitrogen eller argon ved temperaturer fra 800 til 1500 °C. Som et resultat af karbonisering dannes grafitlignende strukturer.
3. Varmebehandlingsprocessen afsluttes med grafitisering ved en temperatur på 1600-3000 °C, som også foregår i et inert miljø. Som et resultat af grafitisering bringes mængden af ​​kulstof i fiberen til 99%.

Ud over konventionelle organiske fibre (oftest viskose og polyacrylonitril) kan specielle fibre fra phenolharpikser, lignin , kul og petroleumsbeg bruges til at fremstille kulfilamenter . Derudover er kulfiberdele stærkere end glasfiberdele , men på samme tid er de meget dyrere.

De høje omkostninger ved kulstof skyldes først og fremmest mere kompleks produktionsteknologi og de højere omkostninger ved afledte materialer. For eksempel bruges dyrere og højkvalitets harpikser til limning af lag end ved arbejde med glasfiber, og dyrere udstyr er påkrævet til fremstilling af dele (for eksempel en autoklave ).

Ulemper

Ved produktion af kulfiberplast er det nødvendigt nøje at overholde de teknologiske parametre, i strid med hvilke produkternes styrkeegenskaber er kraftigt reduceret. Komplekse og dyre kvalitetskontrolforanstaltninger er nødvendige for produkter (herunder ultralydsfejldetektion , røntgen, optisk holografi og endda akustisk test).

En anden alvorlig ulempe ved CFRP'er er deres lave slagfasthed . Strukturel skade forårsaget af stød fra fremmede genstande (selv når et værktøj falder på det) i form af interne revner og delamineringer kan være usynlige for øjet, men føre til et fald i styrke; ødelæggelsen af ​​en struktur, der er beskadiget af stød, kan ske allerede ved en relativ deformation svarende til 0,5 % [2] .

Produktion

• Tryk på . Kulfiberen er foret i en form, der tidligere er smurt med et anti-klæbemiddel (f.eks. sæbe, voks , voks i benzin, Cyatim-221 , silikonesmøremidler ). Imprægneret med harpiks. Overskydende harpiks fjernes under vakuum (vakuumstøbning) eller under tryk. Harpiksen polymeriserer, nogle gange ved opvarmning. Efter polymerisationen af ​​harpiksen er produktet klar.

• kontaktstøbning . På eksemplet med fremstilling af en kofanger: en original metalkofanger er taget, smurt med et adskillelseslag. Derefter sprøjtes monteringsskum ( gips , alabast ) på den. Fjernes efter hærdning. Dette er en matrix. Derefter smøres det med et skillelag og stoffet lægges ud. Stoffet kan være præimprægneret, eller det kan være imprægneret med en børste eller ved vanding direkte i matrixen. Derefter rulles stoffet med ruller for at komprimere og fjerne luftbobler. Derefter polymerisation (hvis hærderen er varmhærdende , så i ovnen, hvis ikke, så ved stuetemperatur - 25 ° C). Derefter fjernes kofangeren, hvis det er nødvendigt - slebet og malet.
• Vakuum infusion . Et kulstofstof (uden imprægnering) lægges ud på den forberedte matrix , derefter lægges teknologiske lag ud for ensartet fordeling af bindemidlet. Der påføres et vakuum under den teknologiske pakke. Derefter åbner bindemiddeltilførselsventilen, og under påvirkning af vakuum fylder den hulrummene og imprægnerer kulstofstoffet.
• Vakuumdannelse. Dette er en ændring i formen af ​​flade emner (ark eller film) fra et termoplastisk polymermateriale ved forhøjede temperaturer og udsættelse for vakuum til tredimensionelle støbte produkter. På grund af de relativt lave omkostninger ved teknologisk udstyr er denne teknologi ekstremt attraktiv til fremstilling af partier af produkter fra 10 til 5000 stykker og nogle gange op til 30.000 stykker.
• Pultrusion . Fremstillingsteknologi af stærkt fiberfyldte kompositdele med konstant tværgående struktur. I øjeblikket bruges det aktivt til fremstilling af polymerkompositmaterialer, for eksempel til fremstilling af kulstoflameller (plader).
• Vinding . Essensen af ​​teknologien ligger i den kontinuerlige vikling af præ-imprægnerede roving /s (glas, kulstof, basalt, kombineret) eller tape på en præ-forberedt form - en dorn. Efter vikling af det nødvendige antal lag placeres dornen med de viklede lag i en varmeovn til yderligere polymerisering.
• RTM. Tørt forstærkningsmateriale placeres mellem to dele af hermetisk forseglet stift udstyr. Et lavviskositetsbindemiddel sprøjtes under tryk ind i formen, hvilket tvinger luft mod afløbskanalerne, indtil formen er helt fyldt. Forme til denne teknologi er typisk lavet af lavt CTE-metal. Denne teknologi er velegnet til små og mellemstore serier fra 500 til 20.000 genstande om året.
• LFI . LFI (Long Fiber Injection) teknologi blev udviklet af det tyske firma Krauss Maffei i 1995. Produktionsegenskaber: Long Fiber Injection, en proces, der bruges til fremstilling af indvendige og udvendige komponenter i biler, hvis struktur har en kompleks form, store dimensioner og klasse A malet overflade. I denne proces sprøjtes hakket fiber fra samlet roving ind i en temperatur -kontrolleret skimmelsvamp (matrix). Samtidig blandes flydende isocyanat og polyol, tilføres sammen med hakket fiber ind i matrixen. Alle disse komponenter sprøjtes ind i en form (matrix), formen lukkes og fyldes ved at ekspandere polyurethanskum som et resultat af en kemisk reaktion af de indførte komponenter. Et par minutter senere er polymerisationen afsluttet, og produktet kan fjernes fra matrixen.
• SMC/BMC. Materialet skæres i overensstemmelse med skæreskemaet og overføres til en form opvarmet til driftstemperatur. Formen lukker, hvilket får materialet til at flyde under tryk ind i formhulrummet og hærde. Ved afslutningen af ​​cyklussen fjernes produktet fra formen, og dets endelige bearbejdning og maling (om nødvendigt) udføres.

Rør og andre cylindriske produkter fremstilles ved vikling. Fiberform: tråd, bånd, stof. Harpiks: epoxy eller polyester . Det er muligt at fremstille forme af kulfiber derhjemme, med erfaring og udstyr.

Ansøgning

CFRP'er bruges i vid udstrækning til fremstilling af lette, men stærke dele, der erstatter metaller, i mange produkter fra rumfartøjsdele til fiskestænger, herunder:

• raket- og rumteknologi;
• flyteknik ( flybygning , helikopterbygning (for eksempel rotorer));
• skibsbygning ( skibe , sportsskibsbygning ) ;
• bilindustrien ( sportsvogne (f.eks. kofangere , karme, døre, motorhjelm), motorcykler, MotoGP-prototyper, Formel 1 -biler ( cockpits og kåber), samt i design af saloner;
• videnskab og forskning;
• forstærkning af armerede betonkonstruktioner ;
• sportsudstyr ( rulleskøjter , cykler , fodboldstøvler, hockeystave , snowboards, ski , skistave og støvler, tennisketchere , bordtennisblade , skateblade , pile , windsurfingudstyr , monofinner), årer;
• Medicinsk udstyr;
• proteser
• fiskegrej (stænger);
• professionelle foto- og videostativ;
• husholdningsapparater (efterbehandling af telefonetuier, bærbare computere , foldbare knivhåndtag osv.);
• modellering;
• Strenge til musikinstrumenter;
• produktion af individuelle vriststøtter (især til sport);
• håndarbejdsværktøj (strikkepinde);
• Kulstof absorberer røntgenstråler svagt, så vinduer til røntgenstråler og brede gammadetektorer (hvorigennem stråling kommer ind i detektoren) er lavet af det.

Carbon nanorør-forstærkede polymerer (CNRP)

Carbon nanorør , som grundlag for kulfiber, er flere gange stærkere, mere fleksible end gummi og endda lettere end O 2 . Materialet er meget forskelligt fra konventionel kulfiber . Denne type kulfiber bruges især i designet af Lockheed Martin F-35 Lightning II-flyet .

Noter

1. ↑ Kulfiber i bilindustrien - fordele og ulemper . AutoRelease.ru . Hentet 15. september 2009. Arkiveret fra originalen 23. august 2011. (ubestemt)
2. ↑ Filippov V. Brugen af ​​kompositmaterialer i flyindustrien // Foreign Military Review. - 1988. - Nr. 2 . - S. 49-50 . — ISSN 0134-921X .

Litteratur

• Opslagsbog af J. Lubin "Composite materials", M., 1988