Tkaniny z uhlíkových vláken jsou zásadní při výrobě kompozitů. Jsou tvořeny prokládáním uhlíkových vláken do specifických vzorů. Každý svazek vláken, nazývaný koudel, obsahuje tisíce vláken. Běžné velikosti vleku zahrnují 3 000 liber, 6 000 liber, 12 000 liber a 24 000 liber. Vzor vazby řídí, jak se tyto kabely kříží. To přímo ovlivňuje pevnost, splývavost a povrchovou úpravu látky.
Při výrobě musí vazba odpovídat geometrii součásti a procesu. Plátnové vazby jsou pevné a stabilní, ale hůře se tvoří. Keprové a atlasové vazby jsou pružnější a snáze se obtáčí křivkami. Během pokládání má vazba vliv na tok pryskyřice a zhutňování. Prepregové tkaniny se často používají pro přesnost obsahu vláken. Tyto materiály dobře fungují v autoklávu nebo v sestavách pro vakuové formování.
Inženýři volí vazby na základě funkce součásti a drah napětí. V letectví zvládají tkané lamináty vysoké zatížení ve více směrech. U automobilů je kladen důraz na pevnost a nízkou hmotnost při nárazu. Směr vazby a vrstvení vrstev jsou simulovány před výrobou.
Co jsou vazby z uhlíkových vláken?
Tkaniny z uhlíkových vláken jsou vysoce výkonné{0}}výztuhy v součástech kompozice. Vyrábějí se tkaním uhlíkových koudelí za účelem vytvoření strukturovaných forem textilu. Tisíce nekonečných vláken v každé kabílku mají obvykle tloušťku sedm mikronů. Vazba zachycuje tyto kabely do pevných tras a vytváří předvídatelnou a opakovatelnou strukturu vláken.
Polyakrylonitril je běžným výchozím prekurzorem vláken. Ty jsou stabilizovány, oxidovány a karbonizovány nad 1200 stupňů Celsia. Ne-uhlíkové složky se karbonizací ztratí na čisté atomy uhlíku usazené v krystalových vrstvách. Poté je povrch-opraven a potažen klížením. Úprava velikosti zlepšuje manipulaci a je citlivější na pryskyřici.
Vlákna se po úpravě zpracují do svazků, které se nazývají koudele, a umístí se na tkalcovské stavy. Pokročilé tkalcovské stavy udržují vlákna zarovnaná, konzistentní napětí a rozteč koudele. Nejrozšířenějšími provedeními jsou hladké, keprové a saténové s různou krimpováním a srstem. Napětí je řízeno automaticky, aby byla zaručena přímost vlákna a omezení mikro-defektů. V této fázi se nastavuje mechanický výkon finální části.
Tkané dodávané látky mohou být dodány suché nebo jako prepregy. Suché tkaniny se používají při výrobních postupech, jako je infuze pryskyřice nebo lisování. Prepregy jsou pryskyřice napuštěné mezi vlákna za kontrolovaných podmínek. To zaručuje přesný poměr vláken k pryskyřici a zlepšuje povrchovou úpravu. Vazba ovlivňuje dráhy toku, konsolidační tlak a zhutňování vrstev při vytvrzování.
Vzory tkaní z uhlíkových vláken
Vazby z uhlíkových vláken jsou ve vzorech. Tyto vzory regulují křížení vlákenných koudelí. Všechny ovlivňují to, jak se součást chová a jak se vyrábí. Vazby vybírají inženýři podle síly a tvaru a požadavků na zpracování.
Pevné vazby lépe drží tvar během pokládky. Volněji tkané materiály spadají do forem. Tento trend také ovlivňuje tok pryskyřice, orientaci vláken a tuhost. Správná volba je zásadní pro stabilitu procesu a výkonu.
Níže jsou shrnuty nejběžnější typy vazeb, které se používají ve vysoce výkonných{0} dílech. Všechny mají různé aspekty splývavosti, stability a pevnosti.
Plain Weave
Plátnová vazba je nejzákladnějším vzorem. Každý vlek jde přes jeden a pod jeden. To přináší úzkou, horizontální organizaci. Mezi těmito dvěma v pravém úhlu je silný přechod.
Jeho krimpovací úhel je velký. To znamená, že vlákna se budou ohýbat dále při každém křížení. To přináší stabilitu na úkor pevnosti v tahu. Také to způsobuje, že tkanina obtížněji padá na křivkách.
V plátnové vazbě je tvarově odolná. Díky tomu je vhodný pro ploché díly nebo základní formy. Napomáhá toku pryskyřice a orientaci vláken. Při neopatrném zacházení se však na komplikovaném povrchu může pomačkat.
Keprová vazba
Při použití keprové vazby vzniká diagonální vzor. Jedna forma je 2X2 kepr. Každý odtah nad dva a pod dva. Tím se posune každý bod křížení podél materiálu.
Zvlnění kepru je nižší než v plátnové vazbě. Vlákna se snadno neohýbají, a proto nesou zátěž. Visí a pasuje na složitější formy s menším množstvím vrásek.
Výplet lze použít s viditelnými karbonovými díly. Má hladký a reflexní povrch. Používá se v rámech jízdních kol, v automobilových panelech a v kapotážích. Kepr také poskytuje vynikající povrchovou úpravu a tvar oproti lisovaným zakřiveným formám.
Saténová vazba
Atlasové vazby mají dlouhé dráhy plováku. V saténu s 5 postroji prochází každý koudel přes 4 a pod 1. To vytváří hladkou tkaninu s velmi nízkým zvlněním.
Vlákna zůstávají lépe orientována. To zvyšuje tok a pevnost pryskyřice. Satén krásně visí a visí a vytváří snadno-tvarovaný, zakřivený nebo hluboký tvar.
Často se používá tam, kde je důležitý vzhled a kvalita povrchu. Satén je však nestabilnější. Při manipulaci dochází k posunu vleků. Musí být také těsně položen, aby se zabránilo vychýlení nebo deformaci vláken.
Specializované vazby a hybridní vazby
Jiné vazby mísí vlákna. Jedná se o hybridní vazby, např. uhlík a aramid lze kombinovat ve tkaní. To poskytuje kombinaci tuhosti a tlumení nárazů.
Ne-standardní rozvržení se používají na jiných tkaninách. Košíkové vazby jsou vyrobeny ze silných koudelí ve čtvercovém stylu. Biaxiální tkaniny orientují kabílky ve dvou směrech tkaniny. Triaxiální a čtyřosé tkaniny využívají tří- a čtyř-úhlové vlákno.
Tyto vzory minimalizují počet vrstev a urychlují pokládání. Nacházejí se v konstrukčních panelech, lodích a větrných lopatkách. Všechny jsou zarovnány s cestami zatížení součásti. Čím méně vrstev máme, tím rychleji lze zboží vyrobit a tím méně chyb.
Dopad vazby na mechanický výkon
Zarovnání vláken a cesty zatížení
Vlákno je zarovnáno podle vzoru vazby. Tahová zatížení lze snadno přenášet rovnými vlákny. Dodatečné zvlnění způsobuje ohýbání vláken, což snižuje pevnost v tahu. Malé vazby mají dobrý ohyb vláken a nabízejí stabilní tkaninu při pokládání. Čím volnější je tkaní, tím větší je zarovnání vláken a pevnost. Tato rovnováha je určena geometrií dílů a požadavky.
Tuhost a pevnost-v rovině
Tkaniny v plátnové vazbě mají pravidelnou-rovinnou tuhost. Jejich vzájemné křížení jsou četné a způsobují tření. To zvyšuje-rovinnou smykovou odolnost. Keprové a atlasové vazby minimalizují zkadeření vláken, takže lze dosáhnout zlepšených vlastností v tahu. Jsou účinné v místech, která mají zakřivené nebo obtížné tvary dílů. Vazby jsou voleny konstruktéry tak, aby vyhovovaly vlastnostem požadavku na tuhost a snadnému tvarování.
Smyková a delaminační pevnost ve smyku
Body křížení vazby ovlivňují interlaminární pevnost ve smyku. Většina křížení v plátnové vazbě způsobuje vysoké tření a odolnost vůči delaminaci. V saténových vazbách je méně křížení a mohou těžit z dodatečného zpevnění pryskyřicí. V jeho nepřítomnosti jsou saténové tkaniny náchylné k delaminaci při střihu. Zabránění delaminaci závisí na správném výběru pryskyřice a stohování vrstev.
Únavová životnost a{0}}provozní zátěž
Únavový výkon při cyklickém zatížení je ovlivněn volbou vazby. Růst trhlin a selhání kvůli dobře-zarovnaným vláknům jsou odloženy. Multiaxiální a hybridní vazby rozdělují napětí, která jsou ve více směrech. To minimalizuje poškození únavou a prodlužuje život. Simulace pomáhají inženýrům navrhnout vzory vazby očekávaných dynamických zatížení. Tato optimalizace zvyšuje životnost kompozitního dílu.
Techniky pro výrobu vazeb z uhlíkových vláken
Výroba tkaniny z uhlíkových vláken je pečlivý, ruční úkol. Začíná to surovým uhlíkovým vláknem a existuje jako látka ve formě připravené k tvarování. Každý krok procesu ovlivňuje pevnost a to, jak se tkanina chová během výrobního procesu.
Měli byste mít silné řízení napětí a vzdálenosti vláken. Mechanické vlastnosti tkaniny jsou utvářeny vzorem tkaní. Obratní operátoři pracují na specializovaném tkalcovském stavu, aby zajistili, že vlákna zůstanou ve svém přirozeném uspořádání a nepoškozena. Používají se v náročných průmyslových odvětvích, jako je letecký průmysl a motorsport.
Výroba a příprava vláken
Prekurzory jsou polymerová vlákna, která přicházejí ve formě uhlíkových vláken. Postupně se ohřívají na vzduchu a rychle v peci bez kyslíku. To z nich dělá tenká, silná uhlíková vlákna. Tento krok ovlivňuje kvalitu tuhosti a pevnosti vláken.
Když jsou karbonizovaná vlákna nanesena s tenkým povlakem. To je zakryje a pomůže pryskyřici později přilnout. Vlákna se shromažďují do těchto skupin nebo koudelí a koudel se liší v tloušťce. Velikost koudele mění hmotnost a pevnost látky.
Proces Tkaní A Stroje
Svazky jsou přiváděny do tkalcovských strojů, které pečlivě dbají na napětí. Vlákna jsou tkaná ve tvarech tak, že se navzájem překrývají{1}} a podbíhají. Konstrukce se liší podle konečného použití materiálu – některé musí být tuhé a některé poddajné.
Modernější tkalcovské stavy mohou využívat vzduchové trysky k pohonu svazků, které je protlačují tkalcovským stavem mnohem rychleji. Stroje také dělají šířku a délku látky stejnou. Tato přesnost podporuje zarovnání vláken, což je rozhodující pro výkon.
Konečná úprava tkaniny a aplikace pryskyřice
Tkaná látka může být prodávána jako suchá nebo s impregnací již provedenou pryskyřicí (prepreg). Suchá textilie vyžaduje přidání pryskyřice později během formování. Prepregová tkanina je tkanina, na kterou byla nanesena pryskyřice, a to za přesných teplotních podmínek.
Prepregy jsou lepkavé, a proto je stohování a manipulace snadná. To pomáhá udržovat vrstvy tkaniny a minimalizovat poréznost na hotovém dílu. Prepregy poskytují výztužné kompozity, které jsou robustnější a jednotnější.
Post-Úpravy tkaní
Látka pak může být tepelně-zpracována, aby se látka stabilizovala. Tím se přestane smršťovat nebo deformovat. Jiné typy tkanin jsou potaženy, aby se zabránilo poškození vláken nebo zlepšilo připojení.
Někdy jsou látky před částmi nařezány do tvaru. To šetří plýtvání a zrychluje výrobu. Tyto dokončovací procesy způsobují, že se tkanina chová dobře v procesu tvarování a v konečné části se nevyskytují žádné vady.
Výběr tkanin z uhlíkových vláken pro výrobu
Výběr vazby z uhlíkových vláken je jednoduše otázkou sladění chování látky s tvarem dílu a použitím. Toužíte po vazbě, která by seděla vaší formě a poskytovala pevnost, aniž by působila vrásčitě. Nevhodný materiál komplikuje pokládku a oslabuje konečný produkt.
S každou vazbou se pracuje jinak. Jiné se snadno skládají a roztahují a jiné mají určité potíže se skládáním a zůstávají vzpřímené. S tímto druhem pochopení jejich rozdílů předem se vyhnete tomu, že budete trávit čas a předělávat s velkými náklady.
Jak dobře se látka tvoří
Lepší křivky a pády keprových a saténových vazeb. Umožňují vám umístit látku přes úzké rohy bez vyboulení. Satén udrží vlákna déle nad vodou a to je užitečné na složených křivkách. Toto jsou vaše nejlepší možnosti, pokud váš díl obsahuje ostré ohyby nebo složené tvary.
V plátnové vazbě je obtížnější pracovat s upnutými tvary. Vlákna se pak kříží se všemi ostatními koudelemi a naolejují látku tužší. Můžete skončit s vráskami nebo se špatně zarovnanými vlákny. Velké plochy plátnové vazby na v podstatě plochých nebo jemně zakřivených panelech.
Směr síly a zatížení
V plátnové vazbě jsou přídavné ohyby vláken, které snižují pevnost v tahu. Vlákna však k sobě lepí. To pomáhá dílům zabránit delaminaci. Keprové nebo atlasové vazby jsou vhodnější na díly, které jsou zatěžovány převážně tahem. Udržují vlákna v rovnějším a pevnějším režimu.
Hladká vazba může přežít lépe v případě, že je váš díl vystaven nárazovému nebo ohybovému zatížení. Má lepší přilnavost k pryskyřici, takže je lepší proti delaminaci. Vyberte vazbu v závislosti na hlavních silách, které na vaši stranu působí.
Tok a zpracování pryskyřice
Tkaniny s plátnovou vazbou pevné plátnové vazby brání toku pryskyřice. To může při infuzi zachytit vzduchové kapsy. To bude vyžadovat jemné podtlakové a tlakové zacházení, aby se zabránilo vzniku dutin. Atlasové a volnější keprové vazby umožňují pryskyřici absorbovat rychleji, ale absorbují více pryskyřice jako celku.
To je jednoduché díky prepregovým tkaninám, které již mají pryskyřici. Nicméně různé vazby různě vytvrzují a vyžadují odpovídající teplotní cykly. Aplikací vhodné vazby na vaši pryskyřici a metodou vytvrzování se sníží vady a výroba se zrychlí.
Praktické náklady a rychlost výroby
Atlasová vazba je časově-náročnější a dražší kvůli komplikovaným cestám vláken. Kepr lze utkat rychle a levně, přesto poddajný. Nejjednodušší na výrobu a nejlevnější je plátnová vazba.
Utěrky, se kterými se při pokládce snadno pracuje, minimalizují odpad. Když má váš operátor problémy s formováním tkaniny, lze očekávat doby cyklů a odpad. Výběr výpletu, se kterým bude váš tým schopen pracovat a který efektivně šetří peníze na každém dílu.
Běžné výzvy při práci s vazbami z uhlíkových vláken
Tkaniny z uhlíkových vláken mají některé běžné problémy. Ty ovlivňují pevnost dílu (a může také dobře vypadat), stejně jako rychlost výroby. Vědět o nich by vás ušetřilo od nákladných chyb a revizí.
Mnoho problémů lze vysvětlit chováním tkaniny při manipulaci a vytvrzování. Vzor vazby někdy určuje složitost. Klíčové výzvy, se kterými se pravděpodobně setkáte, jsou uvedeny níže.
Vrásnění/zkreslení vláken
Při natažení přes úzké křivky se tkanina z uhlíkových vláken krčí. Zejména plátnová vazba může být snadno natažena do takové míry, že je poměrně tuhá. Rýhy oslabují součást a vedou k nerovnoměrnému toku pryskyřice.
Abyste minimalizovali vrásky, musíte být schopni důsledně kontrolovat napětí během ležení. Výběr vazby může pomoci, protože keprové nebo atlasové vazby se mohou snadněji skládat. Je také možné nařezat látku více na kousky-nebo použít na míru upravené polotovary k vyřešení problémů se složitými tvary.
Pryskyřice Suchá místa Prázdná místa
Pevná vazba, jako je plátnová vazba, odolává tečení pryskyřice. To může zachytit vzduch a vést k suchým oblastem nebo otvorům v kompozitu. Tyto poruchy oslabují a mohou vést k předčasnému selhání.
Tomu se lze vyhnout správným vakuem a pomalou infuzí pryskyřice. Otevřenější vazby umožňují lepší pronikání pryskyřice, ale volnější mohou přidat obsah pryskyřice a způsobit, že díly budou těžší. Prepregy snižují toto riziko do té míry, že pryskyřice je již rovnoměrně rozložena.
Separace vrstev a delaminace
K delaminaci dochází, když vrstvy ztrácejí adhezi v důsledku stresu. Delaminace. Vysoký počet křížení v plátnové vazbě zvyšuje tření a zvyšuje odolnost. Keprové a atlasové vazby (méně křížení konců) mohou být náchylnější.
Je nutné udržovat teplotu a tlak vytvrzování, aby se zabránilo špatnému spojení. Zpevnění pryskyřic nebo začlenění mezilistových materiálů také napomáhá ke zvýšení delaminace.
Manipulace s tkaninou a problémy s řezáním
Uhlíkové vlákno je také křehké a při hrubém zacházení se roztřepe nebo zlomí. Role velkých délek látky jsou těžkopádné a při přemísťování by zničily vlákna. Intenzivní a tupé čepele poškozují vlákno.
Připravte si kvalitní-kvalitní a ostré nástroje. Stříhání: Položte látku naplocho a netahejte za koudel. Vzdělávání zaměstnanců, jak se o látky starat, eliminuje plýtvání a vady.
Shrnutí článku
Tento článek pokrývá klíčové aspekty vazeb z uhlíkových vláken, od jejich výroby až po běžné výzvy a kritéria výběru.
Tkaní uhlíkových vláken: Jak uhlíková vlákna tvoří látku.
Vzory vazby: Typy jako hladký, kepr a satén.
Výrobní techniky: Příprava vláken, tkaní, dokončovací kroky.
Výběr vazby: Výběr tkaniny pro tvar a sílu.
Běžné problémy: Vrásky, pryskyřičné dutiny, delaminace.
Tipy pro manipulaci: Správná péče, aby se předešlo závadám.
