Tkaniny z uhlíkových vlákien: Čo sú a prečo ich používať

Ak ste niekedy premýšľali, prečo môže jeden kus uhlíkových vlákien vyzerať inak ako iný, nie ste sami. Uhlíkové vlákno sa dodáva v mnohých rôznych väzbách, z ktorých každá slúži na iný účel a nie je len dekoratívna.

Uhlíkové vlákna sú vyrobené z prekurzorov, ako je polyakrylonitril (PAN) a umelý hodváb. Prekurzorové vlákna sú chemicky upravované, zahrievané a napínané, potom karbonizované, čím sa vytvárajú vlákna s vysokou pevnosťou. Tieto vlákna alebo filamenty sa potom spájajú do zväzkov, aby vytvorili kúdele, ktoré sú identifikované počtom uhlíkových filamentov, ktoré obsahujú. Bežné triedy ťahania sú 3k, 6k, 12k a 15k. „k“ znamená tisíc, takže 3k kúdeľ je vyrobený z 3,000 uhlíkových vlákien. Štandardný 3k kúdeľ má zvyčajne šírku 0,125", takže na malom priestore obsahuje veľa vlákien. 6k kúdeľ má 6,000 uhlíkových vlákien, 12k kúdeľ má 12,{16 }} uhlíkové vlákna atď.. Veľa vysoko pevných vlákien spojených dohromady robí uhlíkové vlákna takým pevným materiálom.

Tkané uhlíkové vlákno
Uhlíkové vlákno sa zvyčajne dodáva vo forme tkanej látky, čo uľahčuje prácu a v závislosti od aplikácie môže poskytnúť dodatočnú štrukturálnu pevnosť. Výsledkom je, že tkaniny z uhlíkových vlákien prichádzajú v mnohých rôznych väzbách. Najbežnejšie sú pevné, keprové a stuhové saténové a na každý sa pozrieme podrobnejšie.

plátnová väzba
Panely z hladkých uhlíkových vlákien pôsobia symetricky a majú malý šachovnicový vzhľad. V tejto väzbe sú kúdele tkané vzorom nad/pod. Krátka vzdialenosť medzi väzbami dáva plátnovej väzbe vysoký stupeň stability. Stabilita tkaniny je schopnosť tkaniny zachovať si uhol väzby a orientáciu vlákna. Kvôli tejto vysokej úrovni stability je plátnová väzba menej vhodná pre zložité tvarované zostavy, nebude taká flexibilná ako niektoré iné väzby. Všeobecne povedané, plátnová väzba je vhodná pre ploché plechy, rúry a dvojrozmerné krivky.

Jednou nevýhodou tohto vzoru väzby je hrubé zvlnenie (uhol, ktorý vlákna zvierajú pri tkaní, pozri nižšie) v kábli kvôli krátkej vzdialenosti medzi prepleteniami. Hrubé zvlnenie vytvára koncentrácie napätia, ktoré môžu časom oslabiť diel.

Keprová väzba
Kepr funguje ako most medzi plátnovou väzbou a saténovou väzbou, o ktorej budeme diskutovať ďalej. Kepr je dostatočne flexibilný na vytváranie zložitých kontúr a je lepší pri udržiavaní stability látky ako sedlovská atlasová väzba, ale nie tak dobrý ako plátnová väzba. Ak idete za kúdeľom v kepru, prejde určitým počtom kúdelov a potom rovnakým počtom kúdolov. Vzor hore/dole vytvára vzhľad diagonálnej šípky známy ako „diagonálna čiara“. Väčšia vzdialenosť medzi väzbami kábla znamená menšie krimpovanie a menšiu koncentráciu potenciálneho napätia v porovnaní s plátnovou väzbou.

2×2 keper

4×4 keper
2×2 Twill je pravdepodobne najznámejšia tkanina z uhlíkových vlákien v tomto odvetví. Používa sa v mnohých kozmetických a dekoratívnych aplikáciách, ale je tiež vysoko funkčný, má strednú tvarovateľnosť a strednú stabilitu. Ako už názov 2×2 napovedá, každý ťah prejde cez 2 ťaháky a potom cez 2 ťaháky. Rovnako tak keper 4×4 prejde 4 ťahadlami a potom 4 ťahadlami. Je o niečo tvárnejší ako kepr 2×2, pretože väzba nie je taká tesná, ale je tiež menej stabilná.

Postroj Saténová väzba
Atlasová väzba bola navrhnutá pred tisíckami rokov na vytvorenie hodvábnych tkanín, ktoré majú vynikajúcu splývavosť a zároveň vyzerajú hladko a bezšvíkové. V prípade kompozitov táto splývavosť znamená, že môžu ľahko vytvárať a obalovať zložité kontúry. Vzhľadom na vysokú tvárnosť tejto tkaniny sa očakáva, že bude mať nízku stabilitu. Bežné väzby sú štvorradlové (4HS), päťradlové (5HS) a osemradlové (8HS). So zvyšujúcim sa počtom saténových väzieb sa zvyšuje tvarovateľnosť, zatiaľ čo stabilita tkaniny klesá.

4HS

5HS

8HS

Číslo v názve Harness Satin označuje celkový počet prejdených ťahov. Pre 4HS to bude nad 3 odťahy a potom pod 1 odťah. Pri 5HS to bude nad 4 odťahy potom pod 1 odťah a pri 8HS to bude nad 7 odťahov potom pod 1 odťah.

Spread Tow vs. Standard Tow
Materiály na nanášanie kúdele môžu byť dobrým kompromisom medzi použitím jednosmerných materiálov a štandardných tkaných materiálov. Keď sú vláknité kúdele tkané nahor a nadol, aby sa vytvorila tkanina, pevnosť sa zníži v dôsledku zvlnenia kúdele. Keď zväčšíte počet vlákien v štandardnom kábli, povedzme z 3k na 6k, kúdeľ sa zväčší (hrubší) a uhol zvlnenia sa zostrí. Jedným zo spôsobov, ako sa tomu vyhnúť, je rozložiť vlákna do širších kúdele, známych ako rozprestreté kúdele, čo má niekoľko výhod.

Rozprestreté kúdele poskytujú menší uhol zvlnenia ako štandardné kúdele a môžu znížiť chyby kríženia zvýšením hladkosti. Nižšie uhly zlisovania budú mať za následok vyššiu pevnosť. S rozprestrenými kúdeľovými materiálmi sa tiež ľahšie pracuje ako s jednosmernými materiálmi a stále majú pomerne dobrú prevenciu vyťahovania vlákien.

Roztiahnite obyčajnú kúdeľ

Rozprestretá keprová väzba
jednosmerný
Ako už názov napovedá, uni znamená jedno a všetky vlákna smerujú rovnakým smerom. To poskytuje niektoré výhody vysokej pevnosti jednosmerným (UD) tkaninám. UD tkanina nie je tkaná a nemá žiadne zvlnené prepletené vlákna, ktoré by oslabovali štruktúru. Namiesto toho sú tu kontinuálne vlákna, ktoré dodávajú pevnosť a tuhosť. Ďalšou výhodou je možnosť prispôsobiť stackup s väčšou kontrolou nad výkonnostnými charakteristikami. Rám bicykla je skvelým príkladom toho, ako možno použiť UD tkaniny na vyladenie výkonu. Rám musí byť tuhý v oblasti stredovej konzoly, aby preniesol silu jazdca na kolesá, no zároveň musí byť poddajný a pružný, aby jazdca nepreťažoval. Pri materiáloch UD si môžete zvoliť presnú orientáciu vlákien, aby ste dosiahli požadovanú pevnosť.

Veľkou nevýhodou UD je jeho manévrovateľnosť. UD sa pri ukladaní ľahko rozpadá, pretože nemá žiadne prepletené vlákna, ktoré by ho držali pohromade. Ak sú vlákna umiestnené nesprávne, je takmer nemožné ich opäť správne preorientovať. Problémy môžu spôsobiť aj opracované diely vyrobené z UD tkanín. Ak sú nejaké vlákna vytiahnuté nahor v mieste, kde bol prvok vyrezaný, tieto voľné vlákna sa vytiahnu cez celú časť. Typicky, ak je na pokládku vybraný UD materiál, vrstva tkaného materiálu sa používa pre prvú a poslednú vrstvu, aby sa zlepšila spracovateľnosť a trvanlivosť dielu. To je to, čo robia rámy pre nadšencov dronov až po výrobu častí rakiet.