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 sa chemicky upravujú, zahrievajú a naťahujú a potom karbonizujú, aby vytvorili vlákna s vysokou pevnosťou. Tieto vlákna alebo filamenty sú potom zviazané a identifikované počtom uhlíkových filamentov, ktoré obsahujú. Bežné hodnotenia vlečenia sú 3k, 6k, 12k a 15k. „K“ znamená tisíc, takže 3k kúdeľ je vyrobený z 3,000 uhlíkových vlákien. Štandardná 3k vlečka má zvyčajne šírku 0,125 palcov, takže v malom priestore je veľa vlákien. 6k kúdeľ má 6,{13}} uhlíkových vlákien, 12k kúdeľ má 12,000 uhlíkových vlákien atď. Veľké množstvo vysoko pevných vlákien zviazaných dohromady robí z uhlíkových vlákien taký silný materiál.

väzba z uhlíkových vlákien
Uhlíkové vlákno sa často dodáva vo forme tkaných látok, čo uľahčuje prácu a môže poskytnúť dodatočnú štrukturálnu pevnosť v závislosti od aplikácie. Preto môžu byť tkaniny z uhlíkových vlákien tkané mnohými rôznymi spôsobmi. Najbežnejšie sú hladký, keprový a podväzkový satén a každému materiálu sa budeme podrobne venovať.

plátnová väzba
Hladké dosky z uhlíkových vlákien majú symetrický vzhľad s malým šachovnicovým vzhľadom. V tejto väzbe sú pramene tkané nad/pod vzorom. Krátka vzdialenosť medzi väzbami dáva plátnovej väzbe vysoký stupeň stability. Stabilita tkaniny sa týka schopnosti tkaniny zachovať si uhol väzby a orientáciu vlákna. Kvôli tejto vysokej úrovni stability je plátnová väzba menej vhodná pre zostavy so zložitými obrysmi a nebude taká flexibilná ako niektoré iné látky. Vo všeobecnosti je tkanina s plátnovou väzbou vhodná pre ploché plechy, rúry a dvojrozmerné krivky.

Jednou nevýhodou tohto vzoru tkania je, že pramene sú silne zvlnené v dôsledku krátkej vzdialenosti medzi prepletením (uhly, ktoré vlákna zvierajú pri tkaní, pozri nižšie). Silné krimpovanie vytvára koncentrácie napätia, ktoré časom oslabujú diel.

Keprová väzba
Kepr je mostom medzi plátnovou väzbou a saténovou väzbou, o ktorej budeme hovoriť ďalej. Keprová tkanina má dobrú flexibilitu a môže vytvárať zložité obrysy. Je horšia ako saténová tkanina na podväzky, pokiaľ ide o udržiavanie stability tkaniny, ale nie taká dobrá ako tkanina s plátnovou väzbou. Ak sledujete vlákna kúdele v keprovej väzbe, prechádza cez určitý počet kúdelí a potom cez rovnaký počet kúdelí. Vzor nahor/nadol vytvára vzhľad diagonálnej šípky, nazývanej „keprová čiara“. Väčšia vzdialenosť medzi prepletenými povrazmi znamená menšie zvlnenie a menšie potenciálne koncentrácie napätia v porovnaní s tkaninami s plátnovou väzbou.

2×2 keprová látka

4×4 keper
2×2 keper je pravdepodobne najznámejšou väzbou z uhlíkových vlákien v tomto odvetví. Používa sa v mnohých kozmetických a dekoratívnych aplikáciách, ale je tiež vysoko funkčný, spája strednú tvárnosť so strednou stabilitou. Ako už názov 2×2 napovedá, každý kúdeľ prejde cez 2 vleky a potom skríži obidva vleky. Rovnako tak sa kepr 4×4 prevlečie cez 4 kúdele a potom cez 4 kúdele. Tvorí o niečo lepšie ako kepr 2×2, pretože väzba nie je taká tesná, ale je tiež menej stabilná.

postroj satén
Atlasová väzba bola navrhnutá pred tisíckami rokov na vytváranie hodvábnych tkanín s vynikajúcou srsťou, pričom vyzerajú hladko a bezšvíkové. V prípade kompozitov táto splývavosť znamená, že sa dajú ľahko tvarovať a ovinúť okolo zložitých obrysov. Pretože táto tkanina je vysoko tvarovateľná, očakáva sa, že jej stabilita bude nízka. Medzi bežné saténové väzby nitelníka patrí 4-satén (4HS), 5-satén (5HS) a 8-satén (8HS). So zvyšujúcim sa množstvom saténovej väzby sa zvyšuje tvarovateľnosť, zatiaľ čo stabilita tkaniny klesá.

4HS

5HS

8HS

Číslo v názve Harness Satin označuje celkový počet vlekov, ktoré prechádzajú. Pre 4HS to prejde cez 3 vleky a potom pod 1 vlek. Pre 5HS to prejde cez 4 vleky a potom pod 1 vlek a pre 8HS to prejde cez 7 vlekov a potom pod 1 vlek.

Rozpätie vs. štandardný kúdeľ
Rozprestreté kúdeľové materiály môžu byť dobrým kompromisom medzi použitím jednosmerných materiálov a štandardných splietaných materiálov. Keď sú pramene vlákien tkané hore a dole, aby sa vytvorila tkanina, pevnosť sa zníži v dôsledku zvlnenia prameňov. Keď zvýšite počet vlákien v štandardnom kábli (napr. z 3k na 6k), kúdeľ sa zväčší (hrubší) a uhol natočenia bude drsnejší. Jedným zo spôsobov, ako sa tomu vyhnúť, je roztiahnuť vlákna do širších kúdele, čo sa nazýva rozťahovanie kúdele, a toto má niekoľko výhod.

Roztiahnutie kúdele poskytuje menší uhol natočenia ako štandardné opletenie kúdele a môže znížiť chyby kríženia zvýšením hladkosti. Nižší uhol krimpovania bude mať za následok vyššiu pevnosť. S rozprestrenými kúdeľovými materiálmi sa tiež pracuje ľahšie ako s jednosmernými materiálmi a stále poskytujú pomerne dobrú prevenciu vyťahovania vlákien.

Rozviňte kúdeľ v plátnovej väzbe

Rozprestretá keprová väzba

jednosmerný
Ako už názov napovedá, uni, teda jedno, všetky vlákna sú orientované 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. Naproti tomu kontinuálne vlákna dodávajú pevnosť a tuhosť. Ďalšou výhodou je možnosť prispôsobiť rozloženie s väčšou kontrolou nad výkonnostnými charakteristikami. Rámy bicyklov sú skvelým príkladom toho, ako možno použiť UD tkaniny na prispôsobenie výkonu. Oblasť spodnej konzoly rámu musí byť tuhá, aby preniesla silu jazdca na kolesá, ale rám musí byť tiež pružný a pružný, aby sa predišlo zraneniu jazdca. Pri materiáloch UD si môžete zvoliť presný smer vlákien, aby ste získali potrebnú silu.

Veľkou nevýhodou UD je jeho manévrovateľnosť. UD sa môže pri ukladaní ľahko rozpadnúť, pretože nemá žiadne prepletené vlákna, ktoré by ho držali pohromade. Ak sú vlákna umiestnené nesprávne, je takmer nemožné ich znova správne presmerovať. Problémy môžu spôsobiť aj opracované diely vyrobené z UD tkaniny. Ak sa nejaké vlákna vytiahnu tam, kde bol prvok odrezaný, tieto uvoľnené vlákna môžu vytiahnuť celú časť. Typicky, ak sa na lamináciu vyberie materiál UD, na prvú a poslednú vrstvu sa použije vrstva tkaného materiálu, aby sa zlepšila spracovateľnosť a trvanlivosť dielu. Robí sa to od rámov dronov pre fanúšikov až po výrobu častí rakiet.