CFRP

Szénszál ( CFRP , Carbon fiber , az angol  szén -karbon szóból) - polimer kompozit anyagok összefont szénszálakból , amelyek polimer (például epoxi ) gyanták mátrixában helyezkednek el . Sűrűség  - 1450 kg/m³ és 2000 kg/m³ között.

Az anyagokat nagy szilárdság, merevség és kis súly jellemzi, gyakran erősebbek, mint az acél , és sokkal könnyebbek. Specifikus jellemzőit tekintve felülmúlja a nagy szilárdságú acélt, például a 25KhGSA ötvözött szerkezeti acélt .

A magas költségek miatt, költségmegtakarítás mellett, és nincs szükség a maximális teljesítmény elérésére, ezt az anyagot a szerkezet fő anyagának megerősítő kiegészítéseként használják.

Alapvető információk

A szénszál fő összetevője a főként szénatomokból álló szénszálak . Az ilyen szálak nagyon vékonyak (kb. 0,005-0,010 mm átmérőjűek [1] ), nagyon könnyű elszakítani, de elég nehéz elszakítani őket. A szövetek ezekből a szálakból készülnek. Különböző szövési mintázattal rendelkezhetnek (halszálka, gyékény stb.).

A szövet még nagyobb szilárdsága érdekében a szénszálakat rétegesen fektetik le, minden alkalommal megváltoztatva a szövés irányának szögét. A rétegeket epoxigyantákkal tartják össze .

A szénszálakat általában vegyi vagy természetes szerves szálak hőkezelésével állítják elő, amelyekben főleg szénatomok maradnak a szálanyagban. A hőkezelés több szakaszból áll:

1. Ezek közül az első az eredeti ( poliakrilnitril , viszkóz ) szál oxidációja levegőn 250 ° C hőmérsékleten 24 órán keresztül. Az oxidáció következtében létraszerkezetek jönnek létre.
2. Az oxidációt követi a karbonizáció szakasza  - a szál hevítése nitrogénben vagy argonban 800 és 1500 °C közötti hőmérsékleten. A karbonizáció hatására grafitszerű szerkezetek keletkeznek.
3. A hőkezelési folyamat 1600-3000 °C-os grafitozással zárul, amely szintén inert környezetben megy végbe. A grafitizálás eredményeként a szálban lévő szén mennyisége 99%-ra emelkedik.

A hagyományos szerves szálak (leggyakrabban viszkóz és poliakrilnitril) mellett speciális fenolgyantákból, ligninből , szénből és kőolajszurokból származó szálak is használhatók szénszálak előállítására . Ezenkívül a szénszálas alkatrészek erősebbek, mint az üvegszálas alkatrészek , ugyanakkor sokkal drágábbak.

A szén magas költségét elsősorban a bonyolultabb gyártási technológia és a származtatott anyagok magasabb költsége okozza. Például drágább és jó minőségű gyantát használnak a rétegek méretezéséhez, mint az üvegszállal végzett munka során, és drágább berendezések szükségesek az alkatrészek előállításához (például autokláv ).

Hátrányok

A szénszálas műanyagok gyártása során szigorúan be kell tartani a technológiai paramétereket, amelyek megsértése esetén a termékek szilárdsági tulajdonságai jelentősen csökkennek. Összetett és költséges minőség-ellenőrzési intézkedésekre van szükség a termékekhez (beleértve az ultrahangos hibafelismerést , röntgent, optikai holográfiát és még akusztikus tesztelést is).

A CFRP-k másik komoly hátránya az alacsony ütésállóságuk . Az idegen tárgyak által okozott ütések által okozott szerkezeti károsodások (még akkor is, ha egy szerszám ráesik) belső repedések és leválások formájában láthatatlanok lehetnek a szem számára, de a szilárdság csökkenéséhez vezethetnek; az ütések által sérült szerkezet tönkremenetele már 0,5%-os relatív alakváltozásnál is bekövetkezhet [2] .

Gyártás

• Nyomja meg a gombot . A szénszálat korábban tapadásgátlóval (pl. szappannal, viasszal , benzines viasszal, Cyatim-221-gyel , szilikon kenőanyagokkal ) megkent formába béleljük. Gyantával impregnálva. A felesleges gyantát vákuum alatt (vákuumöntés) vagy nyomás alatt távolítják el. A gyanta polimerizálódik, néha hevítés hatására. A gyanta polimerizációja után a termék készen áll.

• érintkező fröccsöntés . A lökhárító gyártásának példáján: egy eredeti fém lökhárítót veszünk, amelyet elválasztó réteggel kenünk. Ezután szerelőhabot ( gipsz , alabástrom ) szórunk rá . Kikeményedés után eltávolítjuk. Ez egy mátrix. Ezután megkenjük egy elválasztó réteggel, és kiterítjük az anyagot. A szövet lehet előre impregnált, vagy ecsettel vagy közvetlenül a mátrixban történő öntözéssel impregnálható. Ezután az anyagot hengerekkel hengereljük, hogy tömörítsük és eltávolítsuk a légbuborékokat. Ezután polimerizáció (ha a keményítő forró keményedés , akkor a sütőben, ha nem, akkor szobahőmérsékleten - 25 ° C). Ezután a lökhárítót eltávolítják, ha szükséges - csiszolják és festik.
• Vákuumos infúzió . Az előkészített mátrixra egy szénszövetet (impregnálás nélkül) fektetnek le , majd technológiai rétegeket helyeznek el a kötőanyag egyenletes eloszlásához. A technológiai csomag alatt vákuumot alkalmaznak. Ezt követően kinyílik a kötőanyag-bevezető szelep, és vákuum hatására kitölti az üregeket és impregnálja a szénszövetet.
• Vákuumos kialakítás. Ez a hőre lágyuló polimer anyagból készült lapos nyersdarabok (lapok vagy fóliák) alakjának változása megemelt hőmérsékleten és vákuum hatására háromdimenziós formázott termékekké. A technológiai berendezések viszonylag alacsony költsége miatt ez a technológia rendkívül vonzó a 10-től 5000 darabig terjedő, néha akár 30 000 darabos tételek gyártásához.
• Pultruzió . Erősen száltöltésű, állandó keresztirányú szerkezetű kompozit alkatrészek gyártási technológiája. Jelenleg aktívan használják polimer kompozit anyagok előállítására, például szénlamellák (lemezek) előállítására.
• Tekercselés . A technológia lényege az előre impregnált roving /s (üveg, szén, bazalt, kombinált) vagy szalag folyamatos tekercselése előre elkészített formára - egy tüskére. A szükséges számú réteg feltekercselése után a tüskét a feltekert rétegekkel egy fűtőkemencébe helyezzük további polimerizáció céljából.
• RTM. Száraz erősítőanyagot helyeznek el a hermetikusan lezárt merev berendezés két része közé. Alacsony viszkozitású kötőanyagot fecskendeznek nyomás alatt a formába, és a levegőt a vízelvezető csatornák felé kényszerítik, amíg a forma teljesen meg nem telik. Az ehhez a technológiához használt formák általában alacsony CTE fémből készülnek. Ez a technológia kiválóan alkalmas kis és közepes darabszámú, évi 500-tól 20 000 darabig terjedő sorozatokhoz.
• LFI . Az LFI (Long Fiber Injection) technológiát a német Krauss Maffei cég fejlesztette ki 1995-ben. Gyártási jellemzők: Long Fiber Injection, összetett alakú, nagy méretű és A osztályú festett felületű gépkocsik belső és külső alkatrészeinek előállítására használt eljárás, melynek során az összeszerelt előfonásból aprított szálat permetezzük fel hőmérsékletre. -vezérelt forma (mátrix). Ugyanakkor a folyékony izocianátot és a poliolt összekeverik, és az apróra vágott rostokkal együtt a mátrixba táplálják. Mindezeket a komponenseket egy formába (mátrixba) szórják, a formát lezárják, és a bevitt komponensek kémiai reakciója következtében expandáló poliuretán habbal töltik fel. Néhány perccel később a polimerizáció befejeződik, és a termék eltávolítható a mátrixból.
• SMC/BMC. Az anyagot a vágási séma szerint vágják, és üzemi hőmérsékletre melegített formába helyezik. A forma bezárul, aminek hatására az anyag nyomás alatt befolyik a formaüregbe és megkeményedik. A ciklus végén a terméket eltávolítják a formából, és elvégzik a végső megmunkálását és festését (ha szükséges).

A csöveket és más hengeres termékeket tekercseléssel állítják elő. Szálforma: cérna, szalag, szövet. Gyanta: epoxi vagy poliészter . Házilag is lehetőség van szénszálból öntőforma gyártásra, tapasztalattal és felszereléssel.

Alkalmazás

A CFRP-ket széles körben használják könnyű, de erős alkatrészek gyártásában, amelyek fémeket helyettesítenek, számos termékben, az űrhajóalkatrészektől a horgászbotokig, többek között:

• rakéta- és űrtechnológia;
• repülőgépgyártás ( repülőgép- , helikopter-építés (például rotorok));
• hajóépítés ( hajók , sporthajók építése );
• autóipar ( sportautók (pl. lökhárítók , küszöbök, ajtók, motorháztetők), motorkerékpárok, MotoGP prototípusok, Forma-1 -es autók ( pilótafülke és burkolatok), valamint a belső terek tervezése;
• tudomány és kutatás;
• vasbeton szerkezetek megerősítése ;
• sportfelszerelések ( görkorcsolyák , kerékpárok , futballcipők, hokiütők , snowboardok, sílécek , síbotok és -bakancsok, teniszütők , asztaliteniszpengék, korcsolyapengék , nyilak , szörffelszerelések , monofinok ), evezők;
• Orvosi felszerelés;
• protézisek
• horgászfelszerelés (botok);
• professzionális fotó- és videóállványok;
• háztartási gépek (telefontokok, laptopok , összecsukható késnyelek stb.);
• modellezés;
• Húrok hangszerekhez;
• egyedi lábtámaszok gyártása (különösen sportoláshoz);
• kézimunka eszközök (kötőtűk);
• A szén gyengén nyeli el a röntgensugarakat, ezért röntgen- és nagy hatótávolságú gammadetektorok ablakai (amelyeken keresztül a sugárzás bejut a detektorba) készülnek belőle.

Szén nanocsővel megerősített polimerek (CNRP)

A szén nanocsövek , mint a szénszál alapja, többszörösen erősebbek, rugalmasabbak, mint a gumi, és még könnyebbek is, mint az O 2 . Az anyag nagyon különbözik a hagyományos szénszáltól . Ezt a típusú szénszálat különösen a Lockheed Martin F-35 Lightning II repülőgép tervezésénél használják .

Jegyzetek

1. ↑ Szénszál az autóiparban – előnyei és hátrányai . AutoRelease.ru . Letöltve: 2009. szeptember 15. Az eredetiből archiválva : 2011. augusztus 23.. (határozatlan)
2. ↑ Filippov V. A kompozit anyagok felhasználása a repülőgépiparban // Foreign Military Review. - 1988. - 2. sz . - S. 49-50 . — ISSN 0134-921X .

Irodalom

• J. Lubin referenciakönyve "Kompozit anyagok", M., 1988