Кръгла тръба от въглеродни влакна

Различните видове тръби от въглеродни влакна
Има два основни вида тръби, които разглеждаме в този урок: Pultruded Tubes и Roll Wrapped Tubes.
Пултрудираните тръби обикновено са с по-малки диаметри и осигуряват максималната възможна надлъжна якост, но за сметка на това са по-уязвими на смачкване или счупване при усукване. Вътрешната и външната им повърхност са гладки, като влакната се виждат при внимателно вглеждане. Тези тръби се образуват чрез издърпване на влакната през баня със смола и нагрята матрица, за да се образува тръбата. Всички влакна са ориентирани по дължината си. Процесът на пултрузия наистина означава, че тръбите имат добро ниво на твърдост, но са лесни за разделяне.
Тръбите от въглеродни влакна, обвити на руло, обикновено са с по-големи диаметри и - поради техните редуващи се слоеве на армировка - произвеждат по-еластична тръба, особено при сили на смачкване и усукване. Тези тръби имат влакна както по дължината, така и наоколо за здравина на обръча. Те се оформят чрез увиване на слоеве от предварително импрегнирани материали около дорник, преди да бъдат втвърдени в пещ. Те са склонни да имат гладко вътрешно покритие. Външното покритие може да бъде гладко или оребрено. Оребреното покритие е останало от производствения процес. На нашите тръби с тъкано покритие това е шлайфано и тръбите са лакирани за високо гланцово покритие. Обвитите на ролки тръби жертват малко количество твърдост за здравина на обръч, което им дава повече цялостна здравина и по-добра устойчивост на смачкване и разцепване в сравнение с пултрудираните тръби.
Други методи за изграждане на тръби включват навиване с издърпване, но включва допълнителни спирални влакна. Намотка на нишка, при която влакната се навиват около дорник, предимно за допълнителна здравина на обръч, като например в съдове под налягане. Също така тръбите могат да бъдат формовани с помощта на външна форма и вътрешен мехур, което се прави по-често за тръби с по-сложни форми.
Механични тестове
Целта на тези механични тестове е да предоставят сравнителни данни между двата вида тръби от въглеродни влакна, неръждаема стомана 304 и алуминий 6063. Ние използваме едни и същи размери на профили по време на тестовете, а именно 10 mm външен диаметър и 8 mm вътрешен диаметър. Това ще покаже производителността един спрямо друг за идентични профили.
Ние не работим по никакви специфични стандарти за тестване, тъй като няма такива, които да работят за всички материали и тестове, които се правят. Освен това не използваме стандартни SI единици, преобразувани в килограми. Това е, за да направи цифрите по-сравними и информативни за много хора, които гледат. Много от дръжките са произведени специално за тези тестове, така че ще има някои компромиси, за да накарате тестовете да работят.
Тест за якост на опън
Това е прост тест за опън, при който тръбите се изтеглят, докато не се развалят. Тръбите се издърпват до тяхната граница на еластичност и след това допълнително се издърпват, докато се счупят. Границата на еластичност се обозначава с постоянния градиент на графиката и когато започне да се поддава и преминава към пластична деформация, градиентът намалява, докато се счупи. Като такава границата на провлачване е много по-важна за отбелязване.
Тестът се повтаря за всички материали. При карбоновите тръби повредата е в хватката. Това е ограничение на използвания метод на захващане, което поставя концентрация на напрежение в тази област, така че с по-добър метод на захващане биха се очаквали много по-добри резултати. Ако не бяха се провалили по този начин, щяхме да очакваме пултрузията да бъде 3 пъти по-голяма от тази на стоманата и 16 пъти по-голяма от тази на алуминия.
Тест за якост на натиск
Това е сравнително прост тест за натиск при натискане на тръбата между две ръкохватки. Металните проби се държат почти според очакванията и въглеродните тръби отново се провалят при захващане, което показва ограниченията на метода за изпитване. Стоманената тръба се представя най-добре при 1,5 тона, следвана от пултрузираните и опаковани на ролки тръби с малко под един тон, като алуминиевата тръба се проваля при около половин тон.
Тест за устойчивост на усукване
Ние сравняваме тръбите с известно натоварване на усукване, за да предоставим сравнителни данни, докато тръбите се плъзнат в ръкохватките или не се повредят. Особено трудно е да се постигне добро сцепление при този вид тест, за да се задържи до отказ, но можем да ги тестваме до известно ниво. В този случай 5 нютонметра, което е приблизително това, което можете да постигнете с отвертка, след това продължете, докато ръкохватката или тръбата не успеят.
За всяка тръба тествахме колко градуса на въртене има при натоварване от 5 нютон метра и продължихме, докато захващането на тръбите не успее. Неръждаемата стомана се представи най-добре, следвана от алуминия. От въглеродните тръби и двете се представиха зле, като тръбата, увита на руло, беше леко навън, изпълнявайки пултрузираната.
3-Тест за огъване
Това е триточков тест за огъване на тръбите. Използване на персонализирани глави на инструменти за показване на еластична и накрая пластична деформация и в крайна сметка отказ. Както се очакваше, и двете метални тръби се провалиха поради пластична деформация и огъване. Въглеродните тръби се огъват, преди да се повредят чрез напукване и смачкване на тръбата. Обвитата на руло тръба се представи най-добре при около 200 кг, следвана плътно от стоманената тръба при 175 кг. Пултрудираната тръба се повреди при около 140 кг, последвана от алуминия при 50 кг. Този тест особено подчертава предимствата на допълнителните обръчови влакна върху увита на руло тръба в сравнение с пултрудираните тръби.
Когато вземем предвид теглото и относителната плътност на материалите, балансът на резултатите се измества значително. Неръждаемата стомана е почти 5,5 пъти по-плътна от въглерода при 8g/cm³, а алуминият почти двойно при 2,7g/cm³. С корекцията за тегло, стоманените и алуминиевите тръби се представят подобно на тръбите от въглеродни влакна, които сега са много напред. Правейки същата настройка за другите тестове, виждаме едни и същи резултати за всички, с изключение на теста за усукване.
Резултати и съображения за пултрудирана тръба
Ние разглеждаме резултатите и как те могат да повлияят на използването на този тип тръби. При чисти натоварвания на опън и натиск тези тръби предлагат изключителна производителност за теглото си. Натоварени по дължината си, тези пултрузирани тръби са толкова здрави, колкото може да бъде една въглеродна тръба, но това е за сметка на характеристиките на усукване, смачкване и устойчивост на разцепване.
Това прави пултрузионните тръби идеални за приложения като стрелки, пръти за издърпване, UAV, хвърчила, роботика и стълбове за палатки. Те се наблюдават и при приложения за вграждане като гърловини на инструменти и структури на крилата. Тъй като се произвеждат в матрица, има сравнително точен толеранс за OD и ID, но ако търсите телескопични секции, вероятно ще трябва да шлайфате една тръба по-малка, за да получите плътно прилепване.
Резултати и съображения за увита на руло тръба
В този раздел разглеждаме резултатите и как те могат да повлияят на използването на този тип тръби. Както се вижда от тестовете за опън и компресия, тези тръби се представят почти толкова добре, колкото и пултрузионните. Тестът за триточково огъване наистина подчерта предимствата на обръчните влакна и устойчивостта на смачкване, която предлагат спрямо пултрузираните тръби. Той също така подчерта как обръчните влакна наистина подобряват леко устойчивостта на усукване.
Това е допълнителната якост на обръча, която означава, че макар и малко по-слаба като твърдост, те предлагат по-добро реално цялостно представяне в сравнение с пултрузионните тръби. Тъй като е направен около дорник, вътрешният диаметър е най-точен, а външният зависи от това как е завършен.
Тъканите финишни тръби предлагат най-добрия козметичен външен вид с видимото тъкане и силно гланцово покритие. Тъканият слой обаче също допринася за здравината на обръча и предотвратява разпространението на пукнатини и ограничава разцепването. Това ги прави идеални за приложения като колове за седалки на велосипеди, оборудване за камера, ултра леки самолети, оръжия за дронове и др.
Нетъканите тръби, увити на ролки, все още са страхотни, но вероятно биха били по-подходящи за приложения, когато козметиката не е толкова важна или предимствата на тъкания слой не са толкова критични. Това може да включва удължители за румпел, гребни гребла, роботика, оръжия за UAV или дори стълбове за почистване на прозорци и подобни приложения.
Ограничения на тръбите от въглеродни влакна
Въпреки че производителността на тръбите от въглеродни влакна е много добра за много приложения, има и ограничения и употреби, при които тръбите от въглеродни влакна може да не са идеални или подходящи. Тук ще разгледаме някои общи примери. Добър пример, когато въглеродните влакна може да не са подходящи, са приложенията при висока температура. Въглеродните влакна ще се влошат сериозно над 120 градуса. Те не са подходящи за приложения, включващи високи нива на абразия, като плъзгащи лагери и втулки, където повърхността се износва много бързо. Прецизната механична обработка, като нарязване на резби, не работи добре, тъй като резбата ще бъде много слаба - по-добро решение е да използвате метална вложка или нещо подобно с резбата в метала за такива приложения.
Свързването на тръби ще изисква композитна армировка или изработка на сложни съединителни елементи. Освен това не може да се формира и ще иска да запази сегашната си форма, така че приложения като огънати кормила и т.н. не биха били възможни с предварително изработени тръби. Въпреки това такива тръби могат да бъдат направени, както се вижда в това видео; Ламиниране и пакетиране на тръба от въглеродни влакна с помощта на разделена форма.