پارچه فیبر کربن بافته شده: چگونه ساخته می شود و برای چه استفاده می شود

آیا کربن پارچه است - پارچه فیبر کربن بافته شده در واقع چیست

پارچه فیبر کربن به طور همزمان یک پارچه و یک ماده مهندسی سازه است. الیاف خود رشته های کریستالی نازک هستند - معمولا قطر 5-10 میکرون تقریباً یک دهم قطر موی انسان - تقریباً به طور کامل از اتم های کربن تشکیل شده است که در یک ساختار کریستالی گرافیتی در امتداد محور فیبر قرار گرفته اند. این تراز کریستالی چیزی است که به فیبر استحکام محوری و سفتی فوق العاده ای می دهد.

رشته‌های منفرد به خودی خود کاربرد ساختاری ندارند - آنها باید به صورت بکسل (معمولاً 1000، 3000، 6000 یا 12000 رشته که به 1K، 3K، 6K، 12K نشان داده می‌شوند) بسته شوند و سپس بافته شوند، بخیه شوند، یا در یک پارچه خاص قرار داده شوند. هنگامی که یک پارچه فیبر کربن بافته شده با یک ماتریس رزین (اپوکسی، پلی استر، وینیل استر، یا ترموپلاستیک) ترکیب می‌شود و عمل می‌کند، نتیجه یک کامپوزیت پلیمری تقویت‌شده با فیبر کربن (CFRP) است - ماده سخت و سفت و سختی که در بدنه هواپیما، ماشین‌های مسابقه‌ای مونوکوک و کالاهای ورزشی دیده می‌شود.

در حالت خشک (پارچه از پیش آغشته شده یا خشک)، پارچه فیبر کربنی دقیقاً مانند یک پارچه بافته سفت و کمی لغزنده دسته می شود - می توان آن را با قیچی یا برش چرخشی برش داد، روی سطح قالب قرار داد و با دست شکل داد. این شکل پذیری یکی از دلایل اصلی ترجیح فرمت بافته نسبت به نوار یک طرفه (UD) برای اشکال پیچیده سه بعدی است.

چگونه پارچه فیبر کربن ساخته می شود - از پیش ساز تا پارچه بافته شده

تولید فیبر کربن یک فرآیند شیمیایی و حرارتی چند مرحله‌ای است که یک پیش‌ساز پلیمری آلی - معمولاً پلی آکریلونیتریل (PAN) - را به یک فیبر کریستالی با کربن بالا تبدیل می‌کند. بافندگی آخرین مرحله یک زنجیره تولید طولانی است:

چگونه ساختار پارچه بافته شده بر عملکرد کامپوزیت تأثیر می گذارد

الگوی بافت پارچه فیبر کربنی صرفاً زیبایی شناختی نیست - آن به طور مستقیم خواص مکانیکی، چسبندگی و پرداخت سطحی کامپوزیت حاصل را تعیین می کند. درک معماری بافت برای انتخاب پارچه مناسب برای کاربرد ساختاری ضروری است.

چین و چروک - موجی که به الیاف وارد شده در هنگام عبور از روی یدک‌کش‌ها و زیر آن‌ها - متغیر کلیدی است. یک الیاف چین دار بار را با زاویه ای نسبت به محور خود حمل می کند و سهم کششی موثر آن را کاهش می دهد. بافت 2/2 جناغی، پرکاربردترین الگوی در CFRP تجاری، تقریباً به دست می آید 85-90٪ از استحکام کششی الیاف نظری در لمینت یک بافت ساتن 8H، که در آن هر بکسل قبل از در هم آمیختن از روی هفت و زیر یک بکسل مجاور عبور می کند، نزدیک می شود. 95 درصد راندمان فیبر اما به قیمت کاهش پایداری بافت (پارچه در هنگام جابجایی و چیدمان بیشتر مستعد اعوجاج است).

پارچه فیبر کربن برای چه استفاده می شود - برنامه های کاربردی بر اساس صنعت

موارد استفاده برای پارچه فیبر کربن بافته شده تقریباً هر صنعتی را در بر می گیرد که کاهش وزن ساختاری یک هدف طراحی است. بافت خاص، اندازه بکسل و وزن منطقه ای انتخاب شده به طور قابل توجهی بین کاربردها بر اساس نوع بارگذاری، الزامات پرداخت سطح و روش ساخت مورد استفاده متفاوت است.

• هوافضا - ساختار اولیه و ثانویه: پوسته‌های بدنه هواپیما، پانل‌های بال‌ها، سطوح کنترلی و دیواره‌ها از پارچه فیبر کربنی با کیفیت بالا (پارچه آغشته به رزین) استفاده می‌کنند که در اتوکلاو تحت گرما و فشار عمل می‌کند. یک هواپیمای تجاری تک راهرو مانند بوئینگ 787 تقریباً استفاده می کند 50% کامپوزیت وزنی ، با پارچه فیبر کربن بافته شده اکثر ساختار پوسته باربر را تشکیل می دهد. گریدهای هوافضا نیاز به گواهی ردیابی، تحمل وزن منطقه ای دقیق (معمولاً 3±٪) و تأیید کسر حجمی فیبر در لمینت پخته شده دارند.
• موتوراسپرت - مونوکوک، بدنه و وسایل هوا: سلول‌های بقای فرمول 1 (مونوکوک)، مجموعه‌های کف و بال‌های آیرودینامیک تقریباً به طور کامل از ورقه‌های پارچه فیبر کربن بافته شده ساخته شده‌اند. ترکیبی از سختی شدید (جلوگیری از انحراف سطح آیرودینامیکی تحت نیروی رو به پایین) و جذب انرژی ضربه (که برای استانداردهای ایمنی تصادف FIA لازم است) به طور منحصر به فردی در کامپوزیت های فیبر کربن موجود است. یک مونتاژ بال جلو فرمول 1 که وزن آن زیر است 8 کیلوگرم بارهای آیرودینامیکی بیش از 1000 نیوتن را با سرعت حمل می کند.
• دریایی - بدنه، عرشه و اسپار: بدنه قایق‌های مسابقه‌ای، رویه قایق‌های موتوری و دکل‌های فیبر کربنی از پارچه‌های بافته شده برای ترکیبی از سفتی (مقاومت در برابر انحراف بدنه تحت بارگیری هیدرواستاتیک و موج) و کاهش وزن (برای عملکرد قایقرانی حیاتی) استفاده می‌کنند. دکل فیبر کربنی با رشته‌ای و دستی در یک قایق تفریحی مسابقه‌ای دور از ساحل معمولاً 40 تا 50 درصد سبک تر نسبت به یک دکل آلومینیومی معادل، که مرکز ثقل را پایین می آورد و به طور چشمگیری پایداری را بهبود می بخشد.
• تجهیزات ورزشی و تفریحی: قاب دوچرخه، راکت تنیس، میله گلف، پارو، چوب هاکی و میله های اسکی از پارچه فیبر کربن بافته شده به عنوان ماده ساختاری اولیه استفاده می کنند. یک قاب دوچرخه جاده فیبر کربن با وزن 700-900 گرم در براکت پایینی به طور قابل‌توجهی سفت‌تر از یک قاب آلومینیومی سه برابر سنگین‌تر است – راندمان سفتی مستقیماً به انتقال قدرت پدال زدن و احساس راننده ترجمه می‌شود.
• مهندسی عمران و سازه - تقویت و تعمیر: پارچه فیبر کربن بافته شده 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 پارچه فیبر کربن 300 گرم در متر مربع اتصال به سطح کششی یک تیر بتنی می تواند ظرفیت خمشی آن را 30 تا 60 درصد افزایش دهد.
• ابزارآلات صنعتی و جیگ: دستگاه‌های ماشین‌کاری دقیق، وسایل بازرسی و ابزارهای تراز ساخته شده از کامپوزیت فیبر کربن، دقت ابعادی را در سراسر تغییرات دما به دلیل ضریب انبساط حرارتی نزدیک به صفر فیبر کربن حفظ می‌کنند. تقریباً 0.5- تا 1.5 × 10-6/°C در جهت فیبر). ابزارآلات آلومینیومی با تغییرات دمای کارگاه به طور قابل اندازه گیری منبسط و منقبض می شود. ابزارهای فیبر کربنی هندسه خود را در محدوده میکرون در محدوده دمای 30 درجه سانتیگراد نگه می دارند.

انتخاب پارچه فیبر کربن بافته شده - پارامترهای کلیدی مشخصات

تعیین پارچه فیبر کربن بافته شده صحیح برای یک کاربرد ساختاری مستلزم تطبیق پنج پارامتر با الزامات مکانیکی، پردازشی و پرداخت سطحی برنامه است:

• اندازه یدک کش (تعداد K): عدد K تعداد رشته را در هر یدک مشخص می کند - 1K (1000 رشته)، 3K، 6K، 12K. مقادیر K کوچکتر بافت‌های ظریف‌تر و محکم‌تری با سطح بهتر و کسر حجمی الیاف بالاتر در هر لایه ایجاد می‌کنند، اما با هزینه بالاتر. پارچه های 3K استانداردی برای سطوح ساختاری قابل مشاهده (خودرو، تجهیزات ورزشی) که در آن ظاهر اهمیت دارد. 12 هزار پارچه پوشش چیدمان سریع‌تر و هزینه کمتر در هر متر مربع را تولید می‌کنند، اما بافت سطحی درشت‌تری دارند. برای کاربردهای فقط ساختاری (پنهان)، 12K معمولاً برای کاهش هزینه مواد مشخص می شود.
• وزن سطحی (گرم بر متر مربع): وزن در واحد سطح پارچه خشک، معمولاً از 80 گرم در متر مربع (فوق العاده سبک) تا 600 گرم در متر مربع (ساختار سنگین) . پارچه‌های سبک‌تر، لمینت‌های نازک‌تری را در هر لایه تولید می‌کنند و امکان کنترل دقیق‌تر ضخامت لمینت و جهت‌گیری الیاف را فراهم می‌کنند، اما برای دستیابی به ضخامت لمینت هدف، به لایه‌های بیشتری نیاز دارند و زمان چیدمان را افزایش می‌دهند. پارچه های سنگین منطقه را سریعتر می پوشانند اما با منحنی های پیچیده سازگاری کمتری دارند.
• درجه فیبر (مدول استاندارد، مدول متوسط، مدول بالا): مدول استاندارد فیبر کربن (به عنوان مثال T300، T700) دارای مدول کششی تقریباً است. 230-250 گیگا پاسکال - پرکاربردترین گرید برای کامپوزیت های سازه ای. مدول متوسط (IM6، T800) به دست می آورد 290-310 گیگا پاسکال ، در ساختار اولیه هوافضا استفاده می شود. مدول بالا (M40، M55) می رسد 400-500 گیگا پاسکال اما به طور فزاینده ای شکننده می شود (کرنش کمتر تا شکست) - در سازه های دقیق که در آن سختی، نه استحکام، محرک طراحی است، استفاده می شود.
• سازگاری سایزبندی: اندازه شیمیایی اعمال شده بر روی یدک فیبر باید با سیستم رزین مورد نظر سازگار باشد. سایزبندی سازگار با اپوکسی استاندارد است و اکثر کاربردها را پوشش می دهد. اندازه های سازگار با ترموپلاستیک برای سیستم های ماتریکس PEEK، نایلون و پلی پروپیلن موجود است. استفاده از الیاف با اندازه ناسازگار منجر به چسبندگی ضعیف ماتریس فیبر، کاهش استحکام برشی بین لایه‌ای و لایه‌برداری زودرس می‌شود - حالت شکستی که تا زمانی که کامپوزیت یکپارچگی ساختاری خود را از دست ندهد، در خارج قابل مشاهده نیست.
• پایداری بافت و سلوگی: بافت های پایدار (درهم آمیزی محکم تر) در برابر اعوجاج الیاف در حین جابجایی مقاومت می کنند و به راحتی روی سطوح صاف یا خمیده ملایم اعمال می شوند. بافت‌های ناپایدار (ساتن‌های مهار بزرگ) با سهولت بیشتری بر روی منحنی‌های پیچیده می‌چرخند، اما می‌توانند در حین چیدمان جابجا شوند و موجی شدن الیاف و کاهش قدرت مرتبط را ایجاد کنند. کیفیت لبه‌ها بر تمیزی پارچه تأثیر می‌گذارد و از ساییدگی در حین جابجایی جلوگیری می‌کند - پارچه فیبر کربن بافته شده با کیفیت دارای یک سطح صاف و پایدار در هر دو لبه طولی است.

کار با پارچه فیبر کربن بافته شده - جابجایی، برش و ایمنی

پارچه فیبر کربن بافته شده نیاز به شیوه های مختلف حمل و نقل از منسوجات معمولی و تقویت الیاف شیشه دارد. تفاوت های کلیدی بر تکنیک برش، مدیریت گرد و غبار و حفاظت شخصی تأثیر می گذارد:

• تکنیک برش: پارچه فیبر کربنی باید با قیچی تیز و اختصاصی، برش چرخشی روی تشک برش یا تیغه ای با نوک کاربید روی میز برش بریده شود. تیغه های کسل کننده باعث شکستن رشته در لبه بریده شده و ایجاد یک لبه فرسوده می شود که یکپارچگی ساختاری را از دست می دهد و غبار کربن بیش از حد تولید می کند. قیچی‌ها و برش‌های چرخشی که روی فیبر کربن استفاده می‌شوند در عرض چند متر پس از برش کدر می‌شوند و باید مرتباً تعویض یا تیز شوند - از ابزارهای برشی که در سرویس فیبر کربن روی پارچه‌های دیگر بدون تیز کردن مجدد استفاده می‌شوند، استفاده نکنید.
• حفاظت تنفسی - اجباری: برش و سنباده زدن فیبر کربن رشته ها و ذرات ریز کربن را آزاد می کند. استنشاق گرد و غبار فیبر کربن باعث تحریک تنفسی می شود و رشته های ریز می توانند در پوست و غشاهای مخاطی قرار بگیرند. یک حداقل دستگاه تنفس ذرات FFP2 (N95). باید در هنگام برش خشک، آسیاب یا سنباده مواد فیبر کربنی پوشیده شود. برای عملیات ماشینکاری طولانی مدت به یک ماسک تنفسی با هوای تمام صورت نیاز است. برش مرطوب (استفاده از آب برای سرکوب گرد و غبار) برای کار ابزار برقی روی کامپوزیت های فیبر کربن پخته شده به شدت توصیه می شود.
• خطر هدایت الکتریکی: فیبر کربن رسانای الکتریکی است. گرد و غبار فیبر کربن و قطعات بریده شده می تواند تجهیزات الکترونیکی، PCB ها و تابلوهای برق را اتصال کوتاه کند. مناطق کاری که در آن فیبر کربن برش یا ماشینکاری می شود باید از تجهیزات الکترونیکی جدا شود. قطعات فیبر کربنی که وارد پنل های الکتریکی می شوند باعث آسیب قابل توجه تجهیزات و آتش سوزی در محیط های ساخت می شوند که در آن روش های مهار رعایت نشده است.
• ذخیره سازی: پارچه فیبر کربن بافته شده خشک باید به صورت نورد (و نه تا شده - چین خوردگی باعث شکستن الیاف) روی مقوا یا هسته های پلاستیکی در محیط خشک و خنک و به دور از نور UV نگهداری شود. پارچه پیش آغشته (رزین از قبل آغشته شده) باید به صورت منجمد در آن نگهداری شود -18 درجه سانتی گراد برای متوقف کردن پیشرفت پخت رزین و دارای مدت زمان محدودی است (کل زمانی که می تواند قبل از شروع عملیات در دمای اتاق باشد) که توسط سازنده مشخص شده است - معمولا مدت زمان تجمعی 15 تا 30 روز قبل از اینکه مواد باید استفاده شود و یا از بین برود.