Части от въглеродни влакна

Не всички въглеродни влакна са създадени еднакви
Повечето части от въглеродни влакна започват като суха кърпа, която се комбинира с течна смола. Смолата се втвърдява, за да образува твърд полимер, позволявайки на плата да запази формата си и да се превърне в твърда част от въглеродни влакна. Първото нещо, което трябва да знаете за въглеродните влакна е, че не всички въглеродни влакна са еднакви. Това твърдение не се отнася до различните видове сплитане на тъкани или броя на влакната като 3k, 6k или 12k, а по-скоро за класа на влакното и качеството на самия плат.
Въглеродните влакна обикновено се продават като ролка от тъкан плат. Има много различни модели тъкани на плат, от които да избирате, за да отговарят на различни приложения. Самият плат се състои от снопове влакна, наречени „влакна“, които са изтъкани или зашити заедно. Във всеки сноп влакна има отделни нишки от въглеродни влакна, които са по-малки от човешки косъм. Тези нишки се категоризират според техния клас. Степента е голяма част от това, което определя здравината и твърдостта на частта от въглеродни влакна.
В долния край на спектъра са въглеродните влакна от "търговски клас", които са доста често срещани. Обикновено това е най-ниската цена, но също така има по-ниска здравина и твърдост в сравнение с по-висок клас въглеродни влакна. Техният клас T300, подчертан в оранжево, често се счита за влакно с търговски клас.
Смолата е също толкова важна, колкото и влакното
Както споменахме по-рано, въглеродните влакна започват като суха кърпа и могат да се превърнат в твърда част само чрез комбиниране със смола под формата на композитен материал. Правилният термин за смолистия компонент на композитен материал всъщност е "матричен материал" или просто "матрица", но в тази статия той ще бъде наричан смола. Една опростена аналогия би била да се сравни композитът от въглеродни влакна с бетон и арматура. Влакната носят натоварвания на опън, подобни на арматурата, а смолата позволява на тъканта да поддържа формата си и да носи натоварвания на натиск, подобни на бетона. Мост или сграда не биха били построени само от бетон или само от арматура. И двете са необходими за постигане на пълната здравина, необходима на конструкцията.
В случай на част от въглеродни влакна, същото е вярно. Без смола не могат да бъдат създадени части от твърди въглеродни влакна. В този смисъл смолата е истинският невъзпят герой във всяка част от въглеродни влакна и изборът на правилната смола е също толкова важен, колкото изборът на правилните въглеродни влакна.
Важно е да не се фиксирате само върху въглеродните влакна и след това да забравите какъв тип смола ще се използва. Беше тествана една смола, която твърди, че поддържа здравина до 300F, но когато беше тествана при високи температури, тя омекна и позволи на частите да се огъват при температури до 200F. Въглеродните влакна си вършеха работата, но смолата не.
Въглеродните влакна могат да бъдат покрити за подобряване на адхезията
Производителите на въглеродни влакна добавят специални свързващи агенти (наричани също "завършващ" или "оразмеряващ" агент) към своите тъкани, за да помогнат на смолата да прилепне към тях. В зависимост от това каква смола е избрана, може да не иска да намокри въглеродните влакна и да се свърже химически с тях. Това по принцип е подобно на начина, по който маслото и водата няма да се смесят. Същата ситуация би била нежелана при комбиниране на въглеродни влакна и смола, така че към влакната се прилага свързващ агент, за да позволи на двата материала да работят заедно.
Специфичната химия на свързващите агенти често се пази в тайна от производителите на въглеродни влакна. Те ще скрият конкретното покритие и вместо това ще разкрият само общата химия, с която покритието е съвместимо. Пример, подчертаващ съвместимостта на свързващия агент, е показан в диаграмата на Hexcel по-горе. Имайте предвид свързващия агент, когато експериментирате с нетрадиционни матрични материали.
Процесът определя свойствата
Има много различни начини за изработване на части от въглеродни влакна като мокро полагане, инфузия, препрег или дори 3D печат. Всички тези методи ще направят части с различно съотношение на влакна към смола и различно количество дефекти, което ще доведе до различни свойства на якост и твърдост в крайната част. Температурата, при която частта се втвърдява, също влияе върху свойствата на крайната част.
Няма официален "най-добър" подход за направата на част от въглеродни влакна. Най-добрият метод наистина зависи от дизайна на частта и целите на производството. Има плюсове и минуси за всеки метод.
Например, мокрото слагане е евтино и лесно за изпълнение, но обикновено води до части, които имат непостоянни физически свойства и обикновено са по-тежки в сравнение с други техники за производство на композитни материали.
Предварително импрегнираните въглеродни влакна могат да произвеждат висококачествени, леки части, но този метод често изисква по-скъпи инструменти като фризери за съхранение и автоклави. Има и по-малко смоли и комбинации от тъкани, от които да избирате. Предварителната смола също има срок на годност, което означава, че предварително импрегнираният материал може да изтече и трябва да се изхвърли, ако не се използва в рамките на срока на годност
Физическото тестване е критично
Въглеродните влакна не са като метала. Металите обикновено са изотропни, което означава, че имат еднакви свойства във всички посоки, което опростява дизайна и анализа. В допълнение, измерените механични свойства са добре установени за обичайните метални сплави. Същото не може да се каже за композитите поради тяхната ограничена стандартизация и широкия диапазон от променливи на материала и процеса в композитите. Това означава, че трябва да се проведе тестване, за да се провери дали композитните части отговарят на желаните изисквания.
В космическата сфера един от най-добрите начини за провеждане на тестове върху композитни материали е като се следва „подходът на градивните блокове“. Този метод започва с тестване на общи купони и елементи за създаване на база данни със свойства на материала. Тези данни се използват за управление на проектирането и тестването на по-големи компоненти, след това на подвъзли и накрая на цели структури. Всеки тестов артикул трябва да бъде представителен за материалите и процеса, използвани в крайната структура.
Има погрешно схващане, че частите от въглеродни влакна могат да бъдат валидирани само чрез симулация. Инструментите за анализ като Анализ на крайните елементи (FEA) могат да помогнат при проектирането на композитни части, но те разчитат на входни данни за свойствата на материала, които трябва да бъдат точни, за да постигнат надеждни резултати. Най-добрият начин за получаване на точни числа за тези входни променливи е чрез физическо тестване на представителни съставни тестови проби. Без точни данни резултатите от анализа ще имат ограничена полза. Към дизайна трябва да се добавят големи запаси на безопасност, за да се отчете непрецизното количествено определяне на свойствата на материала. Това добавя тегло, като в крайна сметка побеждава една от основните причини, поради които композитните материали са избрани на първо място. По този начин наистина няма начин да се премахнат напълно физическите тестове от процеса на проектиране на оптимизирана композитна структура.