Deli iz ogljikovih vlaken

Niso vsa ogljikova vlakna enaka
Večina delov iz ogljikovih vlaken se začne kot suha krpa, ki se združi s tekočo smolo. Smola se strdi v trden polimer, ki omogoča, da tkanina obdrži svojo obliko in postane tog del iz ogljikovih vlaken. Prva stvar, ki jo morate vedeti o ogljikovih vlaknih, je, da niso vsa ogljikova vlakna enaka. Ta izjava se ne nanaša na različne vrste tkanja blaga ali vlakna, ki štejejo kot 3k, 6k ali 12k, temveč na razred vlaken in kakovost samega blaga.
Ogljikova vlakna se običajno prodajajo kot zvitek tkanega blaga. Izbirate lahko med številnimi različnimi vzorci tkanine, ki ustrezajo različnim aplikacijam. Tkanina sama je sestavljena iz snopov vlaken, imenovanih "predivo", ki so tkani ali sešiti skupaj. V vsakem snopu vlaken so posamezni filamenti iz ogljikovih vlaken, ki so manjši od človeškega lasu. Ti filamenti so razvrščeni glede na njihov razred. Razred je velik del tega, kar določa trdnost in togost dela iz ogljikovih vlaken.
Na spodnjem koncu spektra so ogljikova vlakna "komercialne kakovosti", ki so precej pogosta. Običajno je najcenejši, vendar ima tudi nižjo trdnost in togost v primerjavi z ogljikovimi vlakni višjega razreda. Njihov razred T300, poudarjen z oranžno barvo, se pogosto šteje za komercialno vlakno.
Smola je enako pomembna kot vlakna
Kot smo že omenili, se ogljikova vlakna začnejo kot suha tkanina in lahko postanejo tog del šele, ko se združijo s smolo v obliki kompozitnega materiala. Pravi izraz za smolno komponento kompozitnega materiala je pravzaprav "matrični material" ali samo "matrika", vendar se bo v tem članku imenoval smola. Poenostavljena analogija bi bila primerjava kompozita ogljikovih vlaken z betonom in armaturo. Vlakna prenašajo natezne obremenitve, podobne armaturnim palicam, smola pa omogoča, da blago obdrži svojo obliko in prenaša tlačne obremenitve, podobne betonu. Most ali zgradba ne bi bila zgrajena samo iz betona ali armature. Oboje je potrebno za doseganje polne trdnosti, potrebne v strukturi.
V primeru dela iz ogljikovih vlaken velja enako. Brez smole ni bilo mogoče izdelati delov iz trdih ogljikovih vlaken. V tem smislu je smola pravi neopevani junak v katerem koli delu iz ogljikovih vlaken in izbira prave smole je prav tako kritična kot izbira prave ogljikovih vlaken.
Pomembno je, da se ne osredotočite samo na ogljikova vlakna in pozabite, katero vrsto smole boste uporabili. Preizkušena je bila ena smola, ki je trdila, da vzdržuje trdnost do 300 F, ko pa je bila preizkušena pri visokih temperaturah, se je zmehčala in omogočila ukrivljanje delov pri temperaturah do 200 F. Ogljikova vlakna so opravljala svoje delo, smola pa ne.
Ogljikova vlakna je mogoče premazati za izboljšanje oprijema
Proizvajalci ogljikovih vlaken svojim tkaninam dodajo posebna sredstva za spajanje (imenovana tudi sredstva za "končno obdelavo" ali "velikost"), ki pomagajo, da se smola nanje oprime. Glede na to, katera smola je izbrana, morda ne bo želela zmočiti ogljikovih vlaken in se kemično povezati z njimi. To je načeloma podobno temu, kako se olje in voda ne mešata. Ta ista situacija bi bila nezaželena pri kombiniranju ogljikovih vlaken in smole, zato se na vlakna nanese sredstvo za spajanje, ki omogoča, da oba materiala delujeta skupaj.
Proizvajalci ogljikovih vlaken pogosto skrivajo specifično kemijo spojnih sredstev. Zakrili bodo določen premaz in namesto tega razkrili le splošno kemijo, s katero je premaz združljiv. Primer, ki poudarja združljivost spojnega sredstva, je prikazan v zgornji tabeli Hexcel. Ko eksperimentirate z nekonvencionalnimi matričnimi materiali, imejte v mislih sredstvo za spajanje.
Proces določa lastnosti
Obstaja veliko različnih načinov izdelave delov iz ogljikovih vlaken, kot so mokro polaganje, infuzija, prepreg ali celo 3D-tiskanje. Vse te metode bodo izdelale dele z različnimi razmerji med vlakni in smolo ter različnimi količinami napak, kar bo povzročilo različne lastnosti trdnosti in togosti končnega dela. Temperatura, pri kateri se del suši, vpliva tudi na lastnosti končnega dela.
Uradnega "najboljšega" pristopa k izdelavi dela iz ogljikovih vlaken ni. Najboljša metoda je res odvisna od zasnove dela in proizvodnih ciljev. Za vsako metodo obstajajo prednosti in slabosti.
Na primer, mokro polaganje je poceni in enostavno za izvedbo, vendar običajno povzroči dele, ki imajo nedosledne fizikalne lastnosti in so običajno težji v primerjavi z drugimi tehnikami izdelave kompozitov.
Prepreg ogljikova vlakna lahko proizvajajo visokokakovostne, lahke dele, vendar ta metoda pogosto zahteva dražje orodje, kot so zamrzovalniki in avtoklavi. Na izbiro je tudi manj smol in kombinacij tkanja. Prepreg smola ima tudi rok uporabnosti, kar pomeni, da prepreg materialu lahko poteče rok uporabnosti in ga je treba zavreči, če ni uporabljen v roku uporabnosti.
Fizični testi so kritični
Ogljikova vlakna niso kot kovina. Kovine so na splošno izotropne, kar pomeni, da imajo enake lastnosti v vseh smereh, kar poenostavlja načrtovanje in analizo. Poleg tega so izmerjene mehanske lastnosti dobro uveljavljene za običajne kovinske zlitine. Enako ne moremo trditi za kompozite zaradi njihove omejene standardizacije in širokega nabora materialnih in procesnih spremenljivk v kompozitih. To testiranje sredstev je treba izvesti, da se preveri, ali sestavljeni deli izpolnjujejo želene zahteve.
Na področju letalstva je eden najboljših načinov za izvajanje testiranja kompozitov sledenje "pristopu gradnikov". Ta metoda se začne s testiranjem generičnih kuponov in elementov za ustvarjanje baze podatkov o lastnostih materiala. Ti podatki se uporabljajo za načrtovanje in testiranje večjih komponent, nato podsestavov in končno celotnih struktur. Vsak preskusni izdelek mora biti reprezentativen za materiale in proces, uporabljen v končni strukturi.
Obstaja napačno prepričanje, da je mogoče dele iz ogljikovih vlaken potrditi samo s simulacijo. Orodja za analizo, kot je analiza končnih elementov (FEA), lahko pomagajo pri načrtovanju kompozitnih delov, vendar se zanašajo na vnose lastnosti materiala, ki morajo biti točni, da lahko dosežemo zanesljive rezultate. Najboljši način za pridobitev natančnih številk za te vhodne spremenljivke je fizično testiranje na reprezentativnih sestavljenih testnih vzorcih. Brez natančnih vnosov bodo rezultati analize imeli omejeno uporabnost. Zasnovi je treba dodati velike varnostne rezerve, da se upošteva neprečiščena kvantifikacija lastnosti materiala. To dodaja težo, kar na koncu izniči enega glavnih razlogov, zakaj so kompozitni materiali sploh izbrani. Tako resnično ni nobenega načina, da bi fizikalno testiranje popolnoma izločili iz procesa oblikovanja optimizirane kompozitne strukture.