CFRP

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită pe 9 noiembrie 2016; controalele necesită 48 de modificări .

Fibră de carbon ( CFRP , Carbon fiber , din engleza  carbon -carbon) - materiale compozite polimerice din filamente de fibră de carbon întrețesute situate într-o matrice de rășini polimerice (de exemplu, epoxidice ). Densitate  - de la 1450 kg/m³ la 2000 kg/m³.

Materialele se caracterizează prin rezistență ridicată, rigiditate și greutate redusă, adesea mai rezistente decât oțelul și mult mai ușoare. În ceea ce privește caracteristicile specifice, depășește oțelul de înaltă rezistență, de exemplu, oțelul structural aliat 25KhGSA.

Datorita costului ridicat, cu economii de costuri si fara necesitatea obtinerii unei performante maxime, acest material este folosit ca adaosuri de armare la materialul principal al structurii.

Informații de bază

Componenta principală a fibrei de carbon sunt filamentele din fibră de carbon , constând în principal din atomi de carbon . Astfel de fire sunt foarte subțiri (aproximativ 0,005-0,010 mm în diametru [1] ), este foarte ușor să le rupi, dar este destul de dificil să le rupi. Țesăturile sunt țesute din aceste fire. Ele pot avea un model de țesut diferit (os de pește, covoraș etc.).

Pentru a conferi și mai multă rezistență țesăturii, fire de carbon sunt așezate în straturi, schimbând de fiecare dată unghiul direcției de țesere. Straturile sunt ținute împreună cu rășini epoxidice .

Filamentele de carbon sunt obținute de obicei prin tratarea termică a fibrelor chimice sau organice naturale, în care în materialul fibros rămân în principal atomi de carbon. Tratamentul termic constă în mai multe etape:

1. Prima dintre ele este oxidarea fibrei originale ( poliacrilonitril , viscoză ) în aer la o temperatură de 250 ° C timp de 24 de ore. Ca urmare a oxidării, se formează structuri de scări.
2. Oxidarea este urmată de etapa de carbonizare  - încălzirea fibrei în azot sau argon la temperaturi de la 800 la 1500 °C. Ca rezultat al carbonizării, se formează structuri asemănătoare grafitului.
3. Procesul de tratare termică se încheie cu grafitizare la o temperatură de 1600-3000 °C, care are loc și într-un mediu inert. Ca urmare a grafitizării, cantitatea de carbon din fibră este adusă la 99%.

Pe lângă fibrele organice convenționale (cel mai adesea viscoză și poliacrilonitril), fibre speciale din rășini fenolice, lignină , cărbune și smoală de petrol pot fi folosite pentru a produce filamente de carbon . În plus, piesele din fibră de carbon sunt mai rezistente decât piesele din fibră de sticlă , dar, în același timp, sunt mult mai scumpe.

Costul ridicat al carbonului este cauzat, în primul rând, de o tehnologie de producție mai complexă și de costul mai mare al materialelor derivate. De exemplu, rășini mai scumpe și de înaltă calitate sunt utilizate pentru dimensionarea straturilor decât atunci când se lucrează cu fibră de sticlă și sunt necesare echipamente mai scumpe pentru producția de piese (de exemplu, cum ar fi o autoclavă ).

Dezavantaje

În producția de materiale plastice din fibră de carbon, este necesar să se respecte cu strictețe parametrii tehnologici, în încălcarea cărora proprietățile de rezistență ale produselor sunt reduse drastic. Sunt necesare măsuri complexe și costisitoare de control al calității pentru produse (inclusiv detectarea defectelor cu ultrasunete , raze X, holografie optică și chiar testare acustică).

Un alt dezavantaj serios al CFRP-urilor este rezistența scăzută la impact . Daunele structurale cauzate de impactul unor obiecte străine (chiar și atunci când o unealtă cade peste el) sub formă de fisuri și delaminări interne pot fi invizibile pentru ochi, dar conduc la o scădere a rezistenței; distrugerea unei structuri deteriorate de impact poate avea loc deja la o deformare relativă egală cu 0,5% [2] .

Producție

• Apăsând . Fibra de carbon este căptușită într-o matriță lubrifiată în prealabil cu un anti-adeziv (de exemplu, săpun, ceară , ceară în benzină, Cyatim-221 , lubrifianți siliconici ). Impregnat cu rasina. Excesul de rășină este îndepărtat sub vid (formare în vid) sau sub presiune. Rășina polimerizează, uneori când este încălzită. După polimerizarea rășinii, produsul este gata.

• turnare de contact . Pe exemplul fabricării unei bare de protecție: este luată o bară de protecție metalică originală, lubrifiată cu un strat separator. Apoi spumă de montare ( gips , alabastru ) este pulverizată pe ea . Îndepărtat după întărire. Aceasta este o matrice. Apoi este uns cu un strat de separare și țesătura este întinsă. Țesătura poate fi pre-impregnată, sau poate fi impregnată cu o perie sau prin udare direct în matrice. Apoi materialul este rulat cu role pentru a compacta și a elimina bulele de aer. Apoi polimerizare (dacă întăritorul se întărește la cald , atunci în cuptor, dacă nu, atunci la temperatura camerei - 25 ° C). Apoi bara de protecție este îndepărtată, dacă este necesar - șlefuită și vopsită.
• Infuzie în vid . O țesătură de carbon (fără impregnare) este așezată pe matricea pregătită , apoi sunt așezate straturi tehnologice pentru distribuția uniformă a liantului. Sub pachetul tehnologic se aplică un vid. După aceea, supapa de alimentare cu liant se deschide și, sub acțiunea vidului, umple golurile și impregnează țesătura de carbon.
• Formarea în vid. Aceasta este o schimbare a formei semifabricatelor plate (foi sau filme) dintr-un material polimer termoplastic la temperaturi ridicate și expunere la vid în produse turnate tridimensionale. Datorită costului relativ scăzut al echipamentelor tehnologice, această tehnologie este extrem de atractivă în fabricarea de loturi de produse de la 10 la 5000 de bucăți, iar uneori până la 30.000 de bucăți.
• Pultruzia . Tehnologia de fabricație a pieselor compozite cu umplutură ridicată de fibre, cu o structură transversală constantă. În prezent, este utilizat în mod activ în producția de materiale compozite polimerice, de exemplu, pentru producerea de lamele de carbon (plăci).
• Înfășurare . Esența tehnologiei constă în înfășurarea continuă a roving - urilor pre-impregnate (sticlă, carbon, bazalt, combinat) sau bandă pe o formă pre-preparată - un dorn. După bobinarea numărului necesar de straturi, dornul cu straturile înfăşurate este plasat într-un cuptor de încălzire pentru polimerizare ulterioară.
• RTM. Materialul de armare uscat este plasat între două părți ale echipamentelor rigide închise ermetic. Un liant cu vâscozitate scăzută este injectat sub presiune în matriță, forțând aerul către canalele de drenaj până când matrița este complet umplută. Formele pentru această tehnologie sunt de obicei realizate din metal cu CTE scăzut. Această tehnologie este potrivită pentru serii de volum mic și mediu de la 500 la 20.000 de articole pe an.
• LFI . Tehnologia LFI (Long Fiber Injection) a fost dezvoltată de compania germană Krauss Maffei în 1995. Caracteristici de producție: Injecție de fibre lungi, proces utilizat pentru producerea componentelor interioare și exterioare ale automobilelor, a căror structură are o formă complexă, dimensiuni mari și suprafață vopsită clasa A. În acest proces, fibra tocată din roving asamblat este pulverizată la o temperatură. -mucegai controlat (matrice). În același timp, izocianatul lichid și poliolul sunt amestecate, introduse împreună cu fibre tăiate în matrice. Toate aceste componente sunt pulverizate într-o matriță (matrice), matrița este închisă și umplută prin expandarea spumei poliuretanice ca urmare a unei reacții chimice a componentelor introduse. Câteva minute mai târziu, polimerizarea este completă și produsul poate fi îndepărtat din matrice.
• SMC/BMC. Materialul este tăiat, în conformitate cu schema de tăiere, și transferat într-o matriță încălzită la temperatura de funcționare. Forma se închide, ceea ce face ca materialul să curgă sub presiune în cavitatea matriței și să se întărească. La sfârșitul ciclului, produsul este scos din matriță și se efectuează prelucrarea finală și vopsirea acestuia (dacă este necesar).

Țevile și alte produse cilindrice sunt produse prin înfășurare. Forma fibrei: fir, panglică, țesătură. Rășină: epoxid sau poliester . Este posibil să se fabrice matrițe din fibră de carbon acasă, cu experiență și echipamente.

Aplicație

CFRP-urile sunt utilizate pe scară largă la fabricarea de piese ușoare, dar puternice, înlocuind metalele, în multe produse, de la piese de nave spațiale la undițe de pescuit, inclusiv:

• rachete și tehnologie spațială;
• inginerie aeronautică ( construcții de aeronave, construcții de elicoptere (de exemplu, rotoare));
• constructii navale ( nave , constructii navale sportive );
• industria auto ( mașini sport (de exemplu , bare de protecție , praguri, uși, huse capote), motociclete, prototipuri MotoGP, mașini de Formula 1 ( cabinete și carene), precum și în proiectarea saloanelor;
• știință și cercetare;
• armarea structurilor din beton armat ;
• echipamente sportive ( patine cu role , biciclete , ghete de fotbal, bețe de hochei , snowboard-uri, schiuri , bețe și bocanci de schi, rachete de tenis , lame de tenis de masă, lame de skate , săgeți , echipament de windsurfing , monofin), vâsle;
• Echipament medical;
• protetice
• articole de pescuit (undițe);
• trepiede foto și video profesionale;
• aparate electrocasnice (finisare carcase pentru telefoane, laptopuri , mânere de cuțit pliabil, etc.);
• modelare;
• corzi pentru instrumente muzicale;
• producerea de suporturi individuale pentru picior (în special pentru sport);
• unelte de ac (ace de tricotat);
• Carbonul absoarbe slab razele X, astfel încât ferestrele de raze X și detectoarele gamma cu gamă largă (prin care radiația intră în detector) sunt realizate din el.

Polimeri ranforsați cu nanotuburi de carbon (CNRP)

Nanotuburile de carbon , ca bază a fibrei de carbon, sunt de câteva ori mai puternice, mai flexibile decât cauciucul și chiar mai ușoare decât O 2 . Materialul este foarte diferit de fibra de carbon convențională . Acest tip de fibră de carbon este utilizat, în special, în proiectarea aeronavei Lockheed Martin F-35 Lightning II .

Note

1. ↑ Fibra de carbon în industria auto - argumente pro și contra . AutoRelease.ru . Consultat la 15 septembrie 2009. Arhivat din original la 23 august 2011. (nedefinit)
2. ↑ Filippov V. Utilizarea materialelor compozite în industria aeronautică // Foreign Military Review. - 1988. - Nr 2 . - S. 49-50 . — ISSN 0134-921X .

Literatură

• Carte de referință de J. Lubin „Materiale compozite”, M., 1988