Díly z uhlíkových vláken

Ne všechna uhlíková vlákna jsou stvořena stejně
Většina dílů z uhlíkových vláken začíná jako suchý hadřík, který se spojí s tekutou pryskyřicí. Pryskyřice se vytvrzuje a vytváří pevný polymer, který umožňuje látce držet svůj tvar a stát se pevnou součástí z uhlíkových vláken. První věc, kterou byste měli vědět o uhlíkových vláknech, je, že ne všechna uhlíková vlákna jsou stvořena stejně. Toto prohlášení se netýká různých typů vazby tkaniny nebo počtu vláken jako 3k, 6k nebo 12k, ale spíše třídy vlákna a kvality samotné tkaniny.
Uhlíkové vlákno se běžně prodává jako role tkané látky. Existuje mnoho různých vzorů tkaniny, ze kterých si můžete vybrat, aby vyhovovaly různým aplikacím. Tkanina samotná se skládá ze svazků vláken nazývaných „kabílky“, které jsou tkané nebo sešívané dohromady. V každém svazku vláken jsou jednotlivá vlákna uhlíkových vláken, která jsou menší než lidský vlas. Tato vlákna jsou kategorizována podle jejich jakosti. Třída je velkou součástí toho, co určuje pevnost a tuhost dílu z uhlíkových vláken.
Na spodním konci spektra je uhlíková vlákna „komerční kvality“, což je docela běžné. Je to obvykle nejnižší cena, ale má také nižší pevnost a tuhost ve srovnání s uhlíkovými vlákny vyšší třídy. Jejich třída T300, zvýrazněná oranžově, je často považována za komerční vlákno.
Pryskyřice je stejně důležitá jako vlákno
Jak již bylo zmíněno dříve, uhlíkové vlákno začíná jako suchá tkanina a pevnou součástí se může stát pouze spojením s pryskyřicí ve formě kompozitního materiálu. Správný termín pro pryskyřičnou složku kompozitního materiálu je ve skutečnosti „materiál matrice“ nebo jen „matrice“, ale pro tento článek bude označován jako pryskyřice. Zjednodušenou analogií by bylo srovnání kompozitu z uhlíkových vláken s betonem a výztuží. Vlákna přenášejí tahová zatížení podobná výztuži a pryskyřice umožňuje tkanině držet tvar a přenášet tlaková zatížení podobná betonu. Most nebo budova by nebyly postaveny pouze z betonu nebo pouze z výztuže. Oba jsou potřebné k dosažení plné pevnosti požadované v konstrukci.
V případě dílu z uhlíkových vláken je to stejné. Bez pryskyřice by nebylo možné vytvořit tuhé díly z uhlíkových vláken. V tomto smyslu je pryskyřice skutečným neopěvovaným hrdinou v jakékoli části z uhlíkových vláken a výběr správné pryskyřice je stejně důležitý jako výběr správného uhlíkového vlákna.
Je důležité nefixovat se pouze na uhlíková vlákna a pak zapomenout na to, jaký typ pryskyřice bude použit. Byla testována jedna pryskyřice, která tvrdila, že si udržuje pevnost až 300F, ale když byla testována při vysokých teplotách, změkla a umožnila by se ohýbat součásti při teplotách až 200F. Karbonové vlákno dělalo svou práci, ale pryskyřice ne.
Uhlíková vlákna mohou být potažena pro zlepšení přilnavosti
Výrobci uhlíkových vláken přidávají do svých tkanin speciální vazebná činidla (také označovaná jako "finiš" nebo "sizing"), aby pomohla pryskyřici k nim přilnout. V závislosti na tom, jaká pryskyřice je vybrána, možná nebude chtít smáčet uhlíkové vlákno a chemicky se k němu vázat. Princip je podobný tomu, jak se olej a voda nemíchají. Stejná situace by byla nežádoucí při kombinování uhlíkových vláken a pryskyřice, takže se na vlákna aplikuje spojovací činidlo, které umožní dvěma materiálům spolupracovat.
Výrobci uhlíkových vláken často tají specifické chemické složení vazebných činidel. Budou zakrývat konkrétní povlak a místo toho budou odhalovat pouze obecnou chemii, se kterou je povlak kompatibilní. Příklad zdůrazňující kompatibilitu spojovacího činidla je uveden v tabulce Hexcel výše. Při experimentování s nekonvenčními matricovými materiály mějte na paměti spojovací činidlo.
Proces určuje vlastnosti
Existuje mnoho různých způsobů výroby dílů z uhlíkových vláken, jako je mokré vrstvení, infuze, prepreg nebo dokonce 3D tisk. Všechny tyto metody vyrobí díly s různými poměry vláken k pryskyřici a různým množstvím defektů, což bude mít za následek různé pevnostní a tuhostní vlastnosti finálního dílu. Teplota, při které se díl vytvrzuje, také ovlivňuje vlastnosti finálního dílu.
Neexistuje žádný oficiální „nejlepší“ přístup k výrobě dílu z uhlíkových vláken. Nejlepší metoda skutečně závisí na návrhu součásti a výrobních cílech. Každá metoda má své klady a zápory.
Například mokré pokládání je levné a snadno proveditelné, ale obvykle vede k dílům, které mají nekonzistentní fyzikální vlastnosti a jsou obvykle těžší ve srovnání s jinými technikami výroby kompozitů.
Prepreg uhlíkové vlákno může vyrábět vysoce kvalitní, lehké díly, ale tato metoda často vyžaduje nákladnější nástroje, jako jsou skladovací mrazničky a autoklávy. K výběru je také méně pryskyřic a kombinací vazeb. Pryskyřice prepregu má také dobu použitelnosti, což znamená, že materiál prepregu může vypršet a musí být zlikvidován, pokud není použit během doby použitelnosti.
Fyzické testování je kritické
Uhlíkové vlákno není jako kov. Kovy jsou obecně izotropní, což znamená, že mají stejné vlastnosti ve všech směrech, což zjednodušuje návrh a analýzu. Kromě toho jsou měřené mechanické vlastnosti dobře zavedeny pro běžné kovové slitiny. Totéž nelze říci o kompozitech kvůli jejich omezené standardizaci a široké škále materiálových a procesních proměnných v kompozitech. To znamená, že je třeba provést testování, aby se ověřilo, že kompozitní díly splňují požadované požadavky.
V oblasti letectví a kosmonautiky je jedním z nejlepších způsobů, jak provádět testování kompozitů, dodržování „přístupu stavebních bloků“. Tato metoda začíná testováním generických kupónů a prvků za účelem vytvoření databáze vlastností materiálů. Tato data se používají k řízení návrhu a testování větších součástí, poté podsestav a nakonec kompletních konstrukcí. Každý zkušební předmět musí reprezentovat materiály a proces použitý ve finální struktuře.
Existuje mylná představa, že díly z uhlíkových vláken lze ověřit pouze pomocí simulace. Analytické nástroje, jako je Finite Element Analysis (FEA), mohou pomoci při navrhování kompozitních součástí, ale spoléhají na vstupy materiálových vlastností, které musí být přesné, aby bylo dosaženo spolehlivých výsledků. Nejlepším způsobem, jak získat přesná čísla pro tyto vstupní proměnné, je fyzické testování na reprezentativních kompozitních zkušebních vzorcích. Bez přesných vstupů budou mít výsledky analýzy omezenou použitelnost. K návrhu je třeba přidat velké bezpečnostní rezervy, aby bylo možné zohlednit nepřesnou kvantifikaci vlastností materiálu. To zvyšuje hmotnost a nakonec překonává jeden z hlavních důvodů, proč jsou kompozitní materiály vybírány na prvním místě. Skutečně tedy neexistuje způsob, jak zcela vyloučit fyzické testování z procesu návrhu optimalizované kompozitní struktury.