Časti z uhlíkových vlákien

Nie všetky uhlíkové vlákna sú stvorené rovnako
Väčšina dielov z uhlíkových vlákien začína ako suchá handrička, ktorá sa spája s tekutou živicou. Živica vytvrdzuje a vytvára pevný polymér, ktorý umožňuje látke držať svoj tvar a stať sa pevnou súčasťou z uhlíkových vlákien. Prvá vec, ktorú treba vedieť o uhlíkových vláknach, je, že nie všetky uhlíkové vlákna sú si rovné. Toto vyhlásenie sa netýka rôznych typov väzieb tkaniny alebo počtu vlákien ako 3k, 6k alebo 12k, ale skôr triedy vlákna a kvality samotnej tkaniny.
Uhlíkové vlákno sa bežne predáva ako rolka tkanej látky. Existuje mnoho rôznych vzorov tkania látok, z ktorých si môžete vybrať, aby vyhovovali rôznym aplikáciám. Tkanina samotná sa skladá zo zväzkov vlákien nazývaných "kúdele", ktoré sú tkané alebo zošité dohromady. V každom zväzku vlákien sú jednotlivé vlákna uhlíkových vlákien, ktoré sú menšie ako ľudský vlas. Tieto vlákna sú kategorizované podľa ich kvality. Kvalita je veľká časť toho, čo určuje pevnosť a tuhosť dielu z uhlíkových vlákien.
Na spodnom konci spektra je uhlíkové vlákno „komerčnej kvality“, ktoré je celkom bežné. Je to zvyčajne najnižšia cena, ale má tiež nižšiu pevnosť a tuhosť v porovnaní s uhlíkovými vláknami vyššej triedy. Ich trieda T300, zvýraznená oranžovou farbou, sa často považuje za vlákno komerčnej kvality.
Živica je rovnako dôležitá ako vlákno
Ako už bolo spomenuté, uhlíkové vlákno začína ako suchá tkanina a pevnou súčasťou sa môže stať iba spojením so živicou vo forme kompozitného materiálu. Správny termín pre živicovú zložku kompozitného materiálu je v skutočnosti „matrixový materiál“ alebo len „matrica“, ale pre tento článok sa bude označovať ako živica. Zjednodušenou analógiou by bolo porovnanie kompozitu z uhlíkových vlákien s betónom a výstužou. Vlákna nesú ťahové zaťaženie podobné výstuži a živica umožňuje tkanine držať svoj tvar a prenášať tlakové zaťaženie podobné betónu. Most alebo budova by neboli postavené len z betónu alebo len z výstuže. Obidve sú potrebné na dosiahnutie plnej pevnosti požadovanej v štruktúre.
V prípade dielu z uhlíkových vlákien to platí rovnako. Bez živice by nebolo možné vytvoriť tuhé časti z uhlíkových vlákien. V tomto zmysle je živica skutočným neospevovaným hrdinom v akejkoľvek časti z uhlíkových vlákien a výber správnej živice je rovnako dôležitý ako výber správneho uhlíkového vlákna.
Je dôležité nefixovať sa len na uhlíkové vlákno a potom zabudnúť na to, aký typ živice sa použije. Bola testovaná jedna živica, ktorá tvrdila, že si zachováva pevnosť až do 300 F, ale keď bola testovaná pri vysokých teplotách, zmäkla a umožnila častiam ohýbať sa pri teplotách až 200 F. Uhlíkové vlákno robilo svoju prácu, ale živica nie.
Uhlíkové vlákna môžu byť potiahnuté, aby sa zlepšila priľnavosť
Výrobcovia uhlíkových vlákien pridávajú do svojich tkanín špeciálne spojovacie činidlá (tiež označované ako "finiš" alebo "sizing"), aby pomohli živici k nim priľnúť. V závislosti od zvolenej živice možno nebude chcieť namočiť uhlíkové vlákno a chemicky sa s ním spojiť. V princípe je to podobné tomu, ako sa olej a voda nezmiešajú. Rovnaká situácia by bola nežiaduca pri kombinovaní uhlíkových vlákien a živice, preto sa na vlákna aplikuje spojovacie činidlo, aby tieto dva materiály mohli spolupracovať.
Výrobcovia uhlíkových vlákien často udržiavajú v tajnosti špecifické chemické zloženie spojovacích činidiel. Zakryjú špecifický povlak a namiesto toho odhalia iba všeobecnú chémiu, s ktorou je povlak kompatibilný. Príklad zvýrazňujúci kompatibilitu spojovacieho činidla je uvedený v tabuľke Hexcel vyššie. Pri experimentovaní s nekonvenčnými matricovými materiálmi majte na pamäti spojovacie činidlo.
Proces určuje vlastnosti
Existuje mnoho rôznych spôsobov výroby dielov z uhlíkových vlákien, ako je mokré kladenie, infúzia, prepreg alebo dokonca 3D tlač. Všetky tieto metódy vyrobia diely s rôznym pomerom vlákien k živici a rôznym množstvom defektov, čo bude mať za následok rozdielne vlastnosti pevnosti a tuhosti v konečnej časti. Teplota, pri ktorej sa diel vytvrdzuje, tiež ovplyvňuje vlastnosti finálneho dielu.
Neexistuje žiadny oficiálny „najlepší“ prístup k výrobe dielu z uhlíkových vlákien. Najlepšia metóda skutočne závisí od konštrukcie dielu a výrobných cieľov. Pre každú metódu existujú výhody a nevýhody.
Napríklad kladenie za mokra je lacné a ľahko sa robí, ale zvyčajne vedie k dielom, ktoré majú nekonzistentné fyzikálne vlastnosti a sú zvyčajne ťažšie v porovnaní s inými technikami výroby kompozitov.
Predimpregnované uhlíkové vlákna môžu produkovať vysokokvalitné ľahké diely, ale táto metóda často vyžaduje nákladnejšie nástroje, ako sú skladovacie mrazničky a autoklávy. Na výber je tiež menej živíc a kombinácií väzieb. Predimpregnovaná živica má tiež trvanlivosť, čo znamená, že predimpregnovaný materiál môže vypršať a musí sa zlikvidovať, ak sa nepoužije počas doby použiteľnosti
Fyzické testovanie je kritické
Uhlíkové vlákno nie je ako kov. Kovy sú vo všeobecnosti izotropné, čo znamená, že majú rovnaké vlastnosti vo všetkých smeroch, čo zjednodušuje návrh a analýzu. Navyše, merané mechanické vlastnosti sú dobre zavedené pre bežné kovové zliatiny. To isté nemožno povedať o kompozitoch kvôli ich obmedzenej štandardizácii a širokému rozsahu materiálových a procesných premenných v kompozitoch. To znamená, že je potrebné vykonať testovanie, aby sa overilo, či kompozitné diely spĺňajú požadované požiadavky.
V oblasti letectva a kozmonautiky je jedným z najlepších spôsobov, ako vykonať testovanie kompozitov, dodržiavanie „prístupu stavebných blokov“. Táto metóda začína testovaním všeobecných kupónov a prvkov na vytvorenie databázy vlastností materiálov. Tieto údaje sa používajú na návrh a testovanie väčších komponentov, potom podzostáv a nakoniec kompletných štruktúr. Každý skúšobný predmet musí reprezentovať materiály a proces použitý vo finálnej konštrukcii.
Existuje mylná predstava, že časti z uhlíkových vlákien je možné overiť samotnou simuláciou. Analytické nástroje, ako je analýza konečných prvkov (FEA), môžu pomôcť pri navrhovaní kompozitných dielov, ale spoliehajú sa na vstupy materiálových vlastností, ktoré musia byť presné, aby sa dosiahli spoľahlivé výsledky. Najlepším spôsobom, ako získať presné čísla pre tieto vstupné premenné, je fyzické testovanie na reprezentatívnych kompozitných testovacích vzorkách. Bez presných vstupov budú mať výsledky analýzy obmedzené využitie. Do návrhu sa musia pridať veľké bezpečnostné rezervy, aby sa zohľadnila nepresná kvantifikácia vlastností materiálu. To zvyšuje hmotnosť a v konečnom dôsledku poráža jeden z hlavných dôvodov, prečo sú kompozitné materiály vyberané na prvom mieste. Skutočne teda neexistuje spôsob, ako úplne vylúčiť fyzické testovanie z procesu navrhovania optimalizovanej kompozitnej štruktúry.