Prečo sú rúrky z uhlíkových vlákien také ľahké? Pochopte dôvod ich nízkej hustoty

Prečo sú rúrky z uhlíkových vlákien také ľahké?

Rúry z uhlíkových vlákien sa široko používajú v leteckých konštrukciách, rámoch UAV, robotických ramenách, rybárskych prútoch, podperách kamier, zdravotníckych zariadeniach, automatizačných strojoch, športovom vybavení a iných aplikáciách, kde záleží na hmotnosti konštrukcie. Ich popularita pochádza z kombinácie nízkej hustoty, vysokej tuhosti, vysokej pevnosti v ťahu, odolnosti proti korózii a schopnosti prispôsobiť orientáciu vlákna smeru aplikovaného zaťaženia.

Prečo sú však rúrky z uhlíkových vlákien také ľahké? Odpoveďou nie je len to, že uhlíkové vlákno je „ľahšie ako kov“. Ľahké správanie rúrky z uhlíkových vlákien je výsledkom interakcie medzi hustotou materiálu, geometriou rúrky, orientáciou vlákna, objemovým podielom vlákna, obsahom živice a výrobnou technológiou.

Reprezentatívne vysokopevné uhlíkové vlákno, ako napríklad Toray T700S, má uvádzanú hustotu vlákna 1,80 g/cm³, pevnosť v ťahu 4 900 MPa, modul v ťahu 230 GPa a priemer vlákna približne 7 μm. Toray tiež uvádza normalizované vlastnosti T700S/epoxidového kompozitu pri 60 % objemu vlákna, vrátane pevnosti v ťahu 2,{11}} MPa a modulu v ťahu 134 GPa.

Tieto čísla pomáhajú vysvetliť, prečo rúrky z uhlíkových vlákien môžu dosiahnuť vysokú konštrukčnú účinnosť bez toho, aby vyžadovali hmotnosť spojenú s tradičnými kovmi.

Existuje však dôležitý rozdiel: uhlíkové vlákno je výstuž, zatiaľ čo rúrka z uhlíkových vlákien je zvyčajne kompozitná štruktúra. Hotová trubica obsahuje uhlíkové vlákna, polymérnu živicu a niekedy ďalšie povrchové alebo jadrové materiály. V dôsledku toho jeho konečná hustota a mechanické vlastnosti závisia od kompletného výrobného návrhu.

Nasledujúce časti skúmajú vedu za ľahkými rúrami z uhlíkových vlákien, vysvetľujú príslušnú inžiniersku terminológiu, porovnávajú rúry z uhlíkových vlákien s konvenčnými kovmi a diskutujú o praktických výrobných problémoch a riešeniach.

Aká je hustota rúrok z uhlíkových vlákien?

Hustota je východiskovým bodom pre pochopenie ľahkých materiálov. V inžinierstve je hustota definovaná ako hmotnosť na jednotku objemu: ρ=m / V kde ρ je hustota, m je hmotnosť a V je objem. Materiál s nižšou hustotou obsahuje menej hmoty v rovnakom objeme. Uhlíkové vlákno je obzvlášť atraktívne, pretože komerčné vlákna majú zvyčajne hustotu okolo 1,75 – 1,90 g/cm³, v závislosti od kvality a štruktúry. Toray T700S poskytuje užitočnú priemyselnú referenciu. Jeho publikovaná hustota vlákna je 1,80 g/cm³, zatiaľ čo jeho pevnosť v ťahu je 4 900 MPa a modul v ťahu je 230 GPa. Publikované údaje o uhlíkových-vláknách PAN spoločnosti Hexcel tiež ukazujú, že vysokovýkonné{15} uhlíkové vlákna vo všeobecnosti zostávajú blízko tomuto rozsahu hustoty. Napríklad jeho technické údaje uvádzajú AS4 okolo 1,79 g/cm³, IM7 okolo 1,80 g/cm³ a HM63 okolo 1,76 g/cm³.

Pre porovnanie, bežné konštrukčné materiály majú značne rozdielne hustoty.

Materiál	Približná hustota	Relatívna hmotnosť
Uhlíkové vlákno	1,75 – 1,90 g/cm³	Veľmi nízka
CFRP trubica	Typicky závisí od pomeru vlákna/živice	Nízka
Zliatina hliníka	~2,7 g/cm³	Mierne
Zliatina titánu	~4,5 g/cm³	Vysoká
Oceľ	~7,8 g/cm³	Veľmi vysoká

Pre hotové rúrky z uhlíkových vlákien by inžinieri nemali jednoducho kopírovať hustotu vlákna z údajového listu uhlíkových vlákien. Tuba obsahuje aj živicu.

Konečná hustota trubice preto závisí od:

Trieda uhlíkových vlákien
Hustota živice
Objemový podiel vlákniny
Neplatný obsah
Orientácia vlákna
Hrúbka steny rúry
Výrobný proces
Povrchové nátery
Vložky alebo dodatočné materiály

Toto rozlíšenie je obzvlášť dôležité pri porovnávaní rúrky z uhlíkových vlákien s nízkou hustotou s hliníkovou alebo oceľovou rúrkou. Správne porovnanie by malo byť medzi hotovými komponentmi s rovnakými konštrukčnými požiadavkami-a nielen medzi surovými vláknami a kovom.

Prečo má rúrkový tvar rúrky z uhlíkových vlákien ešte vyššiu hmotnosť-?

Druhým dôvodom, prečo sú rúrky z uhlíkových vlákien ľahké, je ich geometria. Rúrka nemusí vo svojom priereze-obsahovať pevný materiál. Namiesto toho je veľká časť jeho konštrukčného materiálu umiestnená okolo vonkajšieho obvodu, čím sa vytvára vysoký druhý moment plochy, nazývaný aj plošný moment zotrvačnosti. Toto je geometrická vlastnosť, ktorá popisuje, ako efektívne prierez-rozdeľuje materiál vzhľadom na os ohybu. Pri ohýbaní môže pohyb materiálu ďalej od neutrálnej osi výrazne zvýšiť ohybovú tuhosť bez toho, aby sa proporcionálne zvýšila hmotnosť.

To vysvetľuje, prečo sa rúrky vo veľkej miere používajú v konštrukciách, ako sú:

UAV ramená
Rámy bicyklov
Robotické odkazy
Výbuchy fotoaparátu
Teleskopické palice
Rybárske prúty
Letecké konštrukčné prvky
Hnacie hriadele Priemyselné valce

Ako orientácia vlákien robí rúrky z uhlíkových vlákien silnými bez toho, aby boli ťažké?

Tretím hlavným dôvodom je orientácia vlákien. Uhlíkové vlákno je vysoko anizotropné. To znamená, že jeho mechanické vlastnosti sa menia podľa smeru. Toray T700S ilustruje rozdiel medzi-úrovňou vlákna a priečnym kompozitným správaním. Vlákno má pevnosť v ťahu 4 900 MPa a modul 230 GPa, zatiaľ čo normalizovaný 60 % -objemový{{11} epoxidový kompozit má uvádzanú pevnosť v ťahu pri 0 stupňoch 2,{14}} MPa a modul v ťahu 134 GPa. Dôvodom tohto smerového výkonu je orientácia uhlíkových vlákien. Rúrka vystavená primárne axiálnemu ťahu využíva vlákna orientované blízko 0 stupňov, rovnobežne s osou rúrky. Rúrka vystavená krúteniu vyžaduje výrazné zosilnenie ±45 stupňov, pretože tieto vlákna účinne prenášajú šmykové napätie. Tlaková nádoba môže vyžadovať vystuženie orientované{22}}obručom, pretože obvodové napätie sa stáva dôležitým.

Praktická trubica z uhlíkových vlákien môže preto využívať viacero orientácií:

0 stupeň: axiálna tuhosť a pevnosť v ťahu
±45 stupňov: torzný a šmykový výkon
90 stupňov: priečna stabilita a spevnenie obruče
Hybridné rozloženia: vyváženie viacerých zaťažovacích stavov

Toto je hlavný rozdiel od konvenčných izotropných kovov. Oceľová rúrka má vo všeobecnosti relatívne podobné vlastnosti v rôznych smeroch. Rúrka z uhlíkových vlákien môže byť skonštruovaná tak, aby sa výstuž sústredila tam, kde skutočne dochádza k zaťaženiu.

Ako sa porovnáva pomer pevnosti-k-váhe rúr z uhlíkových vlákien s hliníkom a oceľou?

Pomer pevnosti-k-hmotnosti je jedným z najdôležitejších pojmov v ľahkej konštrukcii. Technický termín je špecifická pevnosť, ktorá sa bežne vyjadruje ako pevnosť v ťahu delená hustotou. Podobný parameter, špecifická tuhosť, porovnáva Youngov modul s hustotou. Ako príklad použijeme vlákno T700S od Toray: Pevnosť v ťahu=4,900 MPa Hustota=1.80 g/cm³ Modul v ťahu=230 GPa Tieto vlastnosti vytvárajú špecifickú pevnosť a špecifickú tuhosť vlákna-veľmi vysokej úrovne. Ale inžinieri by mali byť opatrní pri priamom porovnávaní. Rúrka z uhlíkových vlákien je laminátový kompozit, zatiaľ čo hliníková alebo oceľová rúrka je vo všeobecnosti izotropná kovová konštrukcia. Konečný výkon závisí od hrúbky steny, priemeru, výrobného procesu, spojov, lokálneho vybočenia, odolnosti proti nárazu a smeru zaťaženia.

Charakteristický

Rúrka z uhlíkových vlákien

Hliníková rúrka

Oceľová rúrka

Hustota

Nízka

Mierne

Vysoká

Špecifická sila

Veľmi vysoká

Stredná až vysoká

Mierne

Špecifická tuhosť

Veľmi vysoká

Mierne

Smerové vlastnosti

Silne smerové

Relatívne izotropné

Odolnosť proti korózii

Vo všeobecnosti vynikajúce

Dobré, ale závislé od zliatiny

Vyžaduje ochranu

Orientácia vlákna

Dá sa optimalizovať

Neuplatňuje sa

Zložitosť výroby

Vyššie

Mierne

Pripája sa

Vyžaduje špecializované

Relatívne dospelý

náklady

Všeobecne vyššie

Mierne

Nižšia

Výskum DOE identifikuje kompozity z uhlíkových vlákien ako jeden z pokročilých ľahkých materiálov schopných podstatne znížiť hmotnosť. Jej program prepravných materiálov odhaduje, že kompozity z uhlíkových vlákien by mohli znížiť hmotnosť niektorých komponentov o približne 50 – 70 %, pričom ako dôležité prekážky uvádza aj náklady, spájanie, modelovanie a recykláciu. DOE tiež uvádza, že 10 % zníženie hmotnosti vozidla môže viesť k približne 6 – 8 % zlepšeniu spotreby paliva, hoci skutočné výsledky na úrovni systému-závisia od konštrukcie vozidla a prevádzkových podmienok.

To dokazuje, prečo sú ľahké rúrky z uhlíkových vlákien cenné aj mimo samotnej rúrky. Zníženie hmotnosti pohyblivého robotického ramena, ramena UAV, hnacieho hriadeľa alebo leteckej konštrukcie môže znížiť zaťaženie ostatných komponentov.

Napríklad ľahší robotický článok môže znížiť požiadavky na ovládač. Ľahšie rameno UAV môže znížiť konštrukčnú hmotu, ktorá sa musí neustále zdvíhať. Ľahší rotujúci hriadeľ môže znížiť rotačnú zotrvačnosť. Skutočnou výhodou rúr z uhlíkových vlákien je preto často zníženie hmotnosti na-úrovni systému, a nie jednoduché odľahčenie jedného komponentu.

Prečo môžu byť rúrky z uhlíkových vlákien ľahké bez straty pevnosti?

Odľahčenie často vyvoláva obavy: ak sa trubica stane tenšou, stane sa príliš flexibilnou? Odpoveď závisí od toho, či je dizajn riadený pevnosťou alebo tuhosťou. Pevnosť sa týka toho, či súčiastka vydrží bez zlyhania aplikované zaťaženie. Tuhosť sa týka toho, ako veľmi sa komponent deformuje pri tomto zaťažení.

V prípade mnohých rúrok z uhlíkových vlákien určuje požadovanú hrúbku steny skôr tuhosť ako konečná pevnosť v ťahu.

Toto je obzvlášť dôležité pre:

Robotické ramená
Výložníky UAV
Nosné rúrky fotoaparátu
Presné strojové komponenty
Teleskopické konštrukcie
Podpora antény
Optické vybavenie
Automatizačné zariadenia

Komponent môže mať dostatočnú pevnosť v ťahu, ale stále sa nadmerne vychyľuje. Napríklad v robotickom ramene môže nadmerné vychýlenie znížiť presnosť polohovania, aj keď sa trubica nepribližuje k zaťaženiu pri poruche. Vysoký modul uhlíkových vlákien môže byť preto mimoriadne cenný. Toray uvádza modul vlákna T700S 230 GPa a normalizovaný modul pružnosti kompozitu 134 GPa pri 60 % objemu vlákna. Technická poznámka - Youngov modul: Youngov modul meria elastickú tuhosť. Vyšší modul vo všeobecnosti znamená menšiu elastickú deformáciu pri danom namáhaní v rámci elastického rozsahu materiálu. Tuhosť rúrky však nie je určená samotným modulom.

Závisí to aj od:

Priemer rúrky
Hrúbka steny
Geometria prierezu{0}
Orientácia vlákna
Podmienky podpory
Dĺžka trubice
Smer zaťaženia

V dôsledku toho môže zväčšenie vonkajšieho priemeru niekedy zlepšiť tuhosť v ohybe efektívnejšie ako jednoduché pridanie hrúbky steny. To je jeden z dôvodov, prečo sú rúrky z uhlíkových vlákien s veľkým-priemerom a tenkostennými-vláknami čoraz atraktívnejšie pre ľahké konštrukčné aplikácie. Konštruktér môže využiť vysokú špecifickú tuhosť materiálu a geometrickú účinnosť rúrkového prierezu-.

Ako sa vyrábajú ľahké rúrky z uhlíkových vlákien?

Výrobný proces výrazne ovplyvňuje konečnú hmotnosť a mechanické vlastnosti rúr z uhlíkových vlákien. Široko sa používa niekoľko výrobných technológií.

1. Pultrúzia Pultrúzia nepretržite ťahá uhlíkové vlákna cez živicový systém a vyhrievanú tvarovaciu matricu.

Je vhodný najmä pre:

Rovné tyče
Rúrky
Profily
Konštrukčné nosníky
Nepretržitá výroba

Pultrúzia môže vytvoriť vysoko konzistentné prierezy-a silné pozdĺžne vystuženie.

2. Navíjanie vlákna Navíjanie vlákna umiestňuje súvislé vlákna -impregnované živicou okolo jadra v kontrolovaných uhloch.

Je vhodný najmä pre:

Rúrky
Tlakové nádoby
Hnacie hriadele
Valcové konštrukcie

Uhol navíjania je možné optimalizovať podľa axiálneho, obručového a torzného zaťaženia.

3. Balenie kotúča Balenie kotúčom používa predimpregnovaný laminát alebo tkaninu z uhlíkových vlákien omotanú okolo tŕňa.

Bežne sa používa na:

Rúry z uhlíkových vlákien
Teleskopické trubice
Športové vybavenie
Stožiare na kamery
Priemyselné konštrukčné rúry

Záver

Rúry z uhlíkových vlákien sú ľahké, pretože uhlíkové vlákna majú nízku hustotu a zároveň poskytujú vynikajúcu pevnosť a tuhosť. Ich dutá štruktúra ďalej znižuje nepotrebný materiál bez obetovania konštrukčného výkonu. Optimalizáciou orientácie vlákien a konštrukcie trubice môžu výrobcovia dosiahnuť vysoký pomer pevnosti-k-hmotnosti. Vďaka týmto výhodám sú rúrky z uhlíkových vlákien ideálne pre drony, robotiku, letectvo, športové vybavenie, automatizačné stroje a iné ľahké konštrukčné aplikácie.

Kontaktujte nás

Hľadáte ľahké,-vysokopevné rúrky z uhlíkových vlákien pre svoj projekt? Ponúkame vlastné veľkosti, tvary, povrchové úpravy a orientáciu vlákien, aby sme splnili rôzne potreby aplikácií. Kontaktujte nás ešte dnes prostredníctvom e-mailu: sales18@julitech.cn alebo WhatsApp +86 18822947075 pre profesionálne materiálové riešenia, konkurencieschopné ceny a rýchlu technickú podporu. Povedzte nám o svojich potrebách-my vám pomôžeme uviesť vaše návrhy do života.