Тканая ткань из углеродного волокна: как она сделана и для чего используется

Является ли ткань углеродом — что на самом деле представляет собой ткань из тканого углеродного волокна

Ткань из углеродного волокна одновременно является текстильным и конструкционным материалом. Сами волокна представляют собой тонкие кристаллические нити, обычно 5–10 микрон в диаметре , примерно одна десятая диаметра человеческого волоса и почти полностью состоит из атомов углерода, расположенных в графитовой кристаллической структуре, выровненной вдоль оси волокна. Именно такое выравнивание кристаллов придает волокну исключительную осевую прочность и жесткость.

Отдельные нити сами по себе не имеют структурного применения — их необходимо связать в жгуты (обычно 1000, 3000, 6000 или 12 000 нитей, обозначаемые 1K, 3K, 6K, 12K), а затем сплести, сшить или уложить в определенной ориентации, чтобы создать пригодную к использованию ткань. Когда тканая ткань из углеродного волокна объединяется с матрицей смолы (эпоксидной, полиэфирной, винилэфирной или термопластической) и отверждается, в результате получается композит из полимера, армированного углеродным волокном (CFRP) — твердый, жесткий материал, который используется в фюзеляжах самолетов, монококах гоночных автомобилей и спортивных товарах.

В сухом состоянии (предварительно пропитанная или сухая ткань) ткань из углеродного волокна обрабатывается точно так же, как жесткий, слегка скользкий тканый текстиль — ее можно разрезать ножницами или дисковым ножом, накинуть на поверхность формы и придать ей форму вручную. Эта формуемость является одной из основных причин, по которой тканый формат предпочтительнее однонаправленной (UD) ленты для сложных трехмерных форм.

Как изготавливается ткань из углеродного волокна — от предшественника до тканого полотна

Производство углеродного волокна — это многоэтапный химический и термический процесс, который превращает предшественник органического полимера — чаще всего полиакрилонитрил (ПАН) — в высокоуглеродистое кристаллическое волокно. Ткачество – завершающий этап длинной производственной цепочки:

Как структура ткани влияет на характеристики композита

Рисунок переплетения ткани из углеродного волокна не просто эстетичен — он напрямую определяет механические свойства, драпируемость и качество поверхности полученного композита. Понимание архитектуры переплетения необходимо для выбора правильной ткани для структурного применения.

Ключевой переменной является извитость — волнистость, возникающая в волокнах при их прохождении над и под пересекающимися жгутами. Извитое волокно несет нагрузку под углом к ​​своей оси, что снижает его эффективную растягивающую способность. Саржевое переплетение 2/2, наиболее широко используемое в коммерческом углепластике, обеспечивает примерно 85–90 % от теоретической прочности волокна на разрыв. в ламинате. Атласное переплетение 8Н, при котором каждый жгут перед переплетением проходит над семью и под одним соседним жгутом, приближается к 95% эффективность волокна но за счет снижения стабильности переплетения (ткань более склонна к деформации во время обработки и укладки).

Для чего используется ткань из углеродного волокна — применение по отраслям

Варианты использования для тканая ткань из углеродного волокна охватывают практически все отрасли, где снижение веса конструкции является целью проектирования. Конкретное переплетение, размер жгута и вес по площади значительно различаются в зависимости от применения в зависимости от типа нагрузки, требований к качеству поверхности и используемого метода производства.

• Аэрокосмическая промышленность — первичная и вторичная структура: В обшивке фюзеляжа самолета, панелях крыла, поверхностях управления и переборках используется высококачественная препреговая ткань из углеродного волокна (ткань, предварительно пропитанная смолой), отвержденная в автоклаве под воздействием тепла и давления. Узкофюзеляжный коммерческий самолет, такой как Боинг 787, использует примерно 50% композита по весу , с тканой тканью из углеродного волокна, составляющей большую часть несущей конструкции корпуса. Для авиационно-космических марок требуется сертификация отслеживания, жесткие допуски по весу (обычно ±3%) и подтверждение объемной доли волокон в отвержденном ламинате.
• Автоспорт — монококи, кузова и авиатехника: Ячейки выживания Формулы 1 (монококи), полы и аэродинамические крылья почти полностью изготовлены из тканых ламинатов из углеродного волокна. Сочетание чрезвычайной жесткости (предотвращения аэродинамического отклонения поверхности под действием прижимной силы) и поглощения энергии удара (требуемого стандартами безопасности при столкновении FIA) уникально доступно в композитах из углеродного волокна. Переднее крыло Формулы-1 весом менее 8 кг несет аэродинамические нагрузки, превышающие 1000 Н на скорости.
• Морской флот — корпуса, палубы и лонжероны: В корпусах гоночных яхт, верхних строениях моторных лодок и мачтах из углеродного волокна используется тканая ткань, обеспечивающая сочетание жесткости (сопротивление прогибу корпуса под гидростатическими и волновыми нагрузками) и снижения веса (критически важно для мореходных качеств). Мачта из углеродного волокна, намотанная и уложенная вручную, на морской гоночной яхте обычно представляет собой на 40–50 % легче чем аналогичная алюминиевая мачта, которая снижает центр тяжести и значительно повышает устойчивость.
• Спортивно-развлекательное оборудование: В рамах велосипедов, теннисных ракетках, клюшках для гольфа, веслах, хоккейных клюшках и лыжных палках в качестве основного конструкционного материала используется ткань из углеродного волокна. Карбоновая рама шоссейного велосипеда весом 700–900 г в каретке заметно жестче, чем алюминиевая рама, в три раза тяжелее — эффективность жесткости напрямую влияет на передачу усилия при педалировании и ощущения водителя.
• Гражданское и строительное строительство — усиление и ремонт: Тканая ткань из углеродного волокна bonded to concrete beams, columns, and bridge decks with structural epoxy adhesive provides externally bonded reinforcement that increases flexural and shear capacity without adding significant structural load. Carbon fiber reinforced polymer (CFRP) strengthening systems are widely used for seismic retrofit of existing buildings and load upgrade of bridges where increasing concrete section size is impractical. A single layer of Ткань из углеродного волокна плотностью 300 г/м² приклеивание к растянутой поверхности бетонной балки может увеличить ее изгибающую способность на 30–60%.
• Промышленный инструмент и приспособления: Прецизионные обрабатывающие приспособления, приспособления для контроля и инструменты для выравнивания, изготовленные из композита из углеродного волокна, сохраняют точность размеров при изменениях температуры благодаря почти нулевому коэффициенту теплового расширения углеродного волокна ( примерно от -0,5 до 1,5 × 10⁻⁶/°C в направлении волокна). Алюминиевые инструменты расширяются и сжимаются в зависимости от изменения температуры в цеху; Инструменты из углеродного волокна сохраняют свою геометрию с точностью до микронов в диапазоне температур 30°C.

Выбор ткани из углеродного волокна — основные параметры технических характеристик

Выбор подходящей ткани из углеродного волокна для применения в конструкциях требует соответствия пяти параметрам требованиям к механическим свойствам, обработке и качеству поверхности:

• Размер жгута (кол-во K): Число K определяет количество нитей на жгут — 1K (1000 нитей), 3K, 6K, 12K. Меньшие значения K позволяют получить более тонкое и плотное переплетение с лучшим качеством поверхности и более высокой объемной долей волокон на слой, но с более высокой стоимостью. 3К ткани являются стандартом для видимых структурных поверхностей (автомобилей, спортивного оборудования), где внешний вид имеет значение. 12К ткани обеспечивают более быстрое покрытие укладки и более низкую стоимость квадратного метра, но имеют более грубую текстуру поверхности. Для структурных (скрытых) приложений обычно указывается 12K, чтобы снизить стоимость материала.
• Поверхностный вес (г/м²): Вес на единицу площади сухой ткани обычно составляет от От 80 г/м² (сверхлегкий) до 600 г/м² (тяжелый структурный) . Из более легких тканей получается более тонкий ламинат на слой, что позволяет более точно контролировать толщину ламината и ориентацию волокон, но для достижения целевой толщины ламината требуется больше слоев, что увеличивает время укладки. Тяжелые ткани быстрее покрывают площадь, но менее адаптируются к сложным изгибам.
• Марка волокна (стандартный модуль, средний модуль, высокий модуль): Углеродное волокно со стандартным модулем (например, T300, T700) имеет модуль упругости примерно 230–250 ГПа — наиболее широко используемая марка конструкционных композитов. Промежуточный модуль (IM6, T800) достигает 290–310 ГПа , используемый в аэрокосмической первичной структуре. Высокомодульный (М40, М55) достигает 400–500 ГПа но становится все более хрупким (меньшая деформация до разрушения) — используется в прецизионных конструкциях, где жесткость, а не прочность, является движущей силой конструкции.
• Совместимость размеров: Химическая проклейка, нанесенная на жгут волокон, должна быть совместима с предполагаемой системой смол. Размер, совместимый с эпоксидной смолой, является стандартным и подходит для большинства применений. Совместимые с термопластами размеры доступны для матричных систем из PEEK, нейлона и полипропилена. Использование волокна несовместимого размера приводит к плохой адгезии волокна к матрице, снижению прочности на межламинарный сдвиг и преждевременному расслоению — типу разрушения, которое не заметно снаружи до тех пор, пока композит не утратит структурную целостность.
• Стабильность и кромка переплетения: Стабильное переплетение (более плотное переплетение) предотвращает деформацию волокон во время работы и их легче наносить на плоские или слегка изогнутые поверхности. Нестабильное переплетение (крупный жгутовый атлас) легче драпируется по сложным изгибам, но может смещаться во время укладки, вызывая волнистость волокон и связанное с этим снижение прочности. Качество кромки (обработки кромок) влияет на то, насколько чисто ткань можно разрезать, и предотвращает ее истирание во время работы — качественная ткань из углеродного волокна имеет чистую и стабильную кромку на обоих продольных краях.

Работа с тканью из углеродного волокна: обращение, резка и безопасность

Тканая ткань из углеродного волокна требует иных методов обращения с обычным текстилем и армированным стекловолокном. Ключевые различия касаются техники резки, управления пылью и индивидуальной защиты:

• Техника резки: Ткань из углеродного волокна следует резать острыми специальными ножницами, дисковым ножом на коврике для резки или лезвием с твердосплавным наконечником на режущем столе. Тупые лезвия вызывают поломку нити на кромке среза, создавая потрепанную кромку, которая теряет структурную целостность и образует чрезмерное количество углеродистой пыли. Ножницы и дисковые ножи, используемые для резки углеродного волокна, затупляются уже через несколько метров после резки, и их необходимо регулярно заменять или затачивать — не используйте режущие инструменты, которые использовались для обработки углеродного волокна на других тканях без повторной заточки.
• Защита органов дыхания — обязательна: При резке и шлифовке углеродного волокна выделяются мелкие углеродные волокна и частицы. Вдыхание пыли углеродного волокна вызывает раздражение дыхательных путей, а тонкие нити могут проникать в кожу и слизистые оболочки. Минимум Противоаэрозольный респиратор FFP2 (N95) необходимо носить во время любой сухой резки, шлифовки или шлифования материалов из углеродного волокна. Для длительных операций механической обработки требуется полнолицевой респиратор с подачей воздуха. Мокрая резка (с использованием воды для подавления пыли) настоятельно рекомендуется при работе электроинструментом с отвержденными композитами из углеродного волокна.
• Опасность электропроводности: Углеродное волокно электропроводно. Пыль и обломки углеродного волокна могут привести к короткому замыканию электронного оборудования, печатных плат и электрических панелей. Рабочие зоны, где режут или обрабатывают углеродное волокно, должны быть отделены от электронного оборудования. Фрагменты углеродного волокна, попавшие в электрические панели, вызвали значительные повреждения оборудования и пожары на производственных объектах, где не соблюдались меры сдерживания.
• Хранение: Сухую ткань из углеродного волокна следует хранить свернутой (не сложенной — складки на сгибах приводят к разрыву волокна) на картонных или пластиковых основах в прохладном, сухом помещении, вдали от ультрафиолета. Препреговая ткань (предварительно пропитанная смолой) должна храниться в замороженном состоянии при -18°С для остановки процесса отверждения смолы и имеет ограниченное время простоя (общее время, в течение которого оно может находиться при комнатной температуре до начала отверждения), указанное производителем — обычно Совокупное время простоя 15–30 дней прежде чем материал будет использован или утилизирован.