Производствен процес и ключови технологии за изпълнение на тръби от въглеродни влакна

В областта на науката за съвременните материали, тръбите от въглеродни влакна се превърнаха в еталонен материал в инженерните приложения, органично съчетавайки изключително ниска плътност с отлични механични свойства. От авиационни конструкции и високо{1}}производителни автомобилни компоненти до прецизни промишлени роботизирани системи, тръбите от въглеродни влакна постепенно заменят традиционните метални материали като стомана и алуминий поради изключителната си специфична здравина и специфична твърдост. Дълбокото разбиране на неговите сложни производствени процеси и механизми за формиране на производителност е от решаващо значение за инженерите и производителите, ангажирани с подобряване на ефективността на приложенията на композитни материали.

Какъв е производственият процес за тръби от въглеродни влакна?

Производството на тръби от въглеродни влакна е изключително сложен и много{0}}етапен процес, чиято същност се състои в трансформирането на прекурсорни влакна в високо-здрави и високо-ефективни структури. За разлика от изотропните метални материали, тръбите от въглеродни влакна показват значителна анизотропия и техните механични свойства до голяма степен зависят от ориентацията и разположението на влакната. В индустриалната практика подготовката на високоякостни тръби от въглеродни влакна се основава главно на три зрели процеса: пултрузия, навиване на нишки и навиване на влакна.

Процес на пултрузия

Пултрузионното формоване на тръби от въглеродни влакна е типична технология за непрекъснато производство, използвана главно за производство на профили с постоянно напречно-сечение. В този процес непрекъснатите снопове от въглеродни влакна първо преминават през система за импрегниране със смола (обикновено епоксидна смола или винилестерна смола) и след това се изтеглят в нагрята форма за формоване и втвърдяване. Докато импрегнираните влакна преминават през матрицата, топлината задейства реакция на кръстосано-свързване в смолата, постигайки втвърдяване и оформяне на материала, като в крайна сметка образува плътна, солидна структура.

Този процес се отличава с отлична производствена ефективност, което го прави особено подходящ за сценарии за масово производство. Въпреки това, неговите характеристики на процеса обикновено ограничават ориентацията на влакната до аксиалната посока (посока 0 градуса). Въпреки че това може значително да подобри аксиалната твърдост и здравина, често изисква подсилване чрез допълнителен структурен дизайн или методи за многоаксиално укрепване, когато е подложен на торсионни натоварвания или многоосни напрежения.

Технология за навиване на препрег

Този процес е широко смятан за еталон в индустрията за производство на тръби от въглеродни влакна с малък{0}}до-среден диаметър, висока-прецизност. Неговото ядро ​​се крие в използването на препрег-материал от въглеродни влакна, предварително-импрегниран със смола в специфично съотношение. По време на производството техниците навиват множество слоеве препрег върху повърхността на прецизно-обработен стоманен или алуминиев дорник, в съответствие с изискванията на дизайна.

Ключовото предимство на този метод се крие във високата степен на контролируемост на дизайна на подреждането, което позволява гъвкаво настройване на ъглите на ориентация на влакната (напр. 0 градуса, ±45 градуса, 90 градуса) според изискванията за натоварване, като по този начин се постига персонализирана оптимизация на структурните характеристики. След навиване компонентът обикновено се увива с термо{6}}свиваема лента и се втвърдява в среда с контролирана температура (напр. фурна). Лентата осигурява равномерно уплътняване по време на нагряване, което спомага за увеличаване на обемната част на влакната и намаляване на порьозността, като по този начин значително подобрява общите механични свойства и структурна плътност на продукта.

Намотка на влакна

За тръби с-въглеродни влакна с голям{0}}диаметър или такива, изискващи устойчивост на високо налягане, навиването на влакна е една от най-технологичните{1}}адаптивни производствени технологии. При този процес импрегнираните със смола- непрекъснати влакна се въвеждат равномерно и се полагат върху повърхността на въртящ се дорник. Чрез прецизно управление на траекторията на движение на каретката от CNC система, влакната могат да бъдат автоматично положени с висока консистенция според предварително зададени геометрични пътеки (като периферни, спирални или полярни посоки).

Основното предимство на този процес се крие във високата му степен на контрол върху ориентацията и разпределението на влакната, което позволява оптимизиран дизайн за натоварвания от вътрешно налягане и сложни състояния на многоосно напрежение. Следователно, навиването на влакна се представя изключително добре в конструкции като съдове под налягане и тръбопроводи от композитни материали, които трябва да издържат на вътрешно налягане или съчетани натоварвания, което значително подобрява-поносимостта на конструкцията и границата на безопасност.

Сравнение на методите за производство на тръби от въглеродни влакна

Защо ориентацията на влакната е толкова важна при проектирането на тръби от въглеродни влакна?

Механичните свойства на тръбите от въглеродни влакна зависят до голяма степен от структурното разположение на вътрешните им влакна, фактор, който често е по-решаващ от присъщите свойства на материала. Тъй като въглеродните влакна по своята същност са едноосни подсилващи материали-осигуряващи максимална здравина и твърдост само по протежение на оста на влакната-чрез рационално проектиране на „последователността на подреждане“, те могат да постигнат структурни характеристики, далеч надвишаващи тези на металните материали при специфични работни условия.

В типичните високоефективни тръби от въглеродни влакна инженерите използват различни ъгли, за да балансират различните сили.

Подреждане от 0 градуса: подредено по аксиалната посока на тръбата, основно осигурява надлъжна коравина (модул на Юнг) и якост на опън, за да устои на натоварвания на огъване и аксиален опън. Подреждане от 90 градуса (периферен слой): Разпределен по обиколката, той повишава устойчивостта на радиална деформация, потиска ефекта на "елиптизиране" при натоварване на натиск и подобрява носещата способност на вътрешния натиск. ±45 градуса подреждане: Този слой понася натоварвания на срязване и усукване и е ключов слой за осигуряване на устойчивост на усукване и якост на срязване. Липсата на този ъгъл значително ще увеличи риска от повреда при усукване.

Дизайнът на високо{0}}ефективни тръби от въглеродни влакна е по същество деликатен компромис-между пропорциите и последователностите на гореспоменатите различни ориентации на влакната, което обикновено представлява основната технологична способност на компанията. Например структурите на роботизираните рамена разчитат в голяма степен на висок дял от 0 градуса сгъване за подобряване на твърдостта, докато компонентите на задвижващия вал изискват ±45 градуса сгъване за оптимизиране на усукване.

Проучванията показват, че дори леко отклонение на ориентацията на влакната от проектния ъгъл (само с около 5 градуса) може да намали цялостната структурна производителност с до 15%, поставяйки изключително високи изисквания към прецизността на подреждане по време на производството. Следователно както процесите на навиване на препрег, така и процесите на навиване на влакна изискват строг контрол на ъгъла.

Освен това симетрията на структурата на подреждането е също толкова важна. Асиметричните подреждания са склонни към генериране на остатъчно термично напрежение по време на втвърдяване и охлаждане, което води до изкривяване или усукване на компонента. За да се справят с това, специализираните производители обикновено използват анализ на крайните елементи (FEA), за да -симулират предварително проектирането и процеса на втвърдяване, прогнозирайки и оптимизирайки разпределението на напреженията преди действителното производство, за да гарантират, че крайният продукт отговаря на строгите изисквания за точност на размерите и структурна стабилност в приложения от висок-край като например космонавтиката.

Как изборът на матрица от смола влияе върху топлоустойчивостта и химическата устойчивост на тръбите от въглеродни влакна?

В композитните системи от въглеродни влакна влакната носят основна-носеща функция, докато смолистата матрица е отговорна за ефективното свързване на влакната и осигуряването на защита на околната среда. Следователно експлоатационните характеристики на тръбите от въглеродни влакна при екстремни условия като висока температура или силна корозия до голяма степен зависят от химичните и термичните свойства на системата от смола. В промишлените приложения системите от епоксидна смола са най-често срещаните, като показват отлична междинна връзка с въглеродни влакна, като същевременно притежават високи механични свойства и добра термична стабилност. Въпреки това, за специфични оперативни изисквания, могат да бъдат избрани по-функционално насочени системи от смола.

Цианатни естерни смоли:Те имат изключително ниска летливост (ниско отделяне на газ) и отлична стабилност на размерите, което ги прави особено подходящи за аерокосмическа среда, която е подложена на тежки температурни цикли.

Фенолна смола:Той има отлични свойства за забавяне на горенето и нисък дим и ниска токсичност и се използва широко в сценарии със строги изисквания за пожарна безопасност, като интериор на самолети и офшорни платформи.

Термопластични смоли (като PEEK и PPS):За разлика от традиционните термореактивни системи, те могат да бъдат многократно разтопени и обработвани и имат отлична устойчивост на удар и химическа корозия. Процесът на тяхното формоване обаче е сложен и изисква по-високо оборудване и контрол на процеса.

Един от ключовите параметри на системата от смола е температурата на встъкляване (Tg), която определя максималната работна температура на материала. Когато работната температура надвиши Tg, смолата омеква, което води до значително намаляване на капацитета за пренос на натоварване между влакната, което от своя страна причинява влошаване на структурните характеристики или дори повреда. Обикновено обхватът на Tg на стандартните тръби от въглеродни влакна на базата на епоксидна смола е приблизително 120 градуса до 180 градуса; за среда с по-висока температура е необходимо да се модифицира системата от смола и да се оптимизира процеса на втвърдяване, за да се увеличи Tg, за да се осигури структурна цялост.

В допълнение към термичните свойства, матрицата от смола също действа като решаваща химическа бариера. В сурови среди, като офшорни нефтени и газови находища, тръбите от въглеродни влакна трябва да издържат на дългосрочна-ерозия на морската вода и химическите ефекти на въглеводородната среда. Високоплътната матрица от смола може ефективно да предотврати проникването на влага в интерфейса влакно/матрица, като по този начин възпрепятства механизмите на повреда като капилярна абсорбция и междуслоево разслояване, като значително подобрява издръжливостта и надеждността на експлоатация на структурата.

Индустриални приложения натръби от въглеродни влакна

Универсалността на тръбите от въглеродни влакна доведе до широкото им приложение в различни области. В космическата промишленост се използва за производство на рамки на фюзелаж и рангоути на крилата. В областта на медицината неговите свойства за предаване на рентгенови лъчи го правят идеален за производство на маси за изображения и протези. В промишлената автоматизация отличното съотношение тегло-към-якост на тръбите от въглеродни влакна позволява на роботизираните ръце да постигат по-високи скорости на движение с по-ниска консумация на енергия и по-малко инерция. Освен това в енергийния сектор тръбите от въглеродни влакна се използват за подсилване на перките на вятърни турбини и високо{7}}производство на маховици.

Заключение

Производството на тръби от въглеродни влакна е деликатна координация между химията, физиката и машиностроенето. Чрез овладяване на производствените процеси на високо{1}}здрави тръби от въглеродни влакна и разбиране на фините разлики в ориентацията на влакната и избора на смола, производителите могат да произвеждат компоненти, които надхвърлят границите на съвременното инженерство. Тъй като индустриалните приложения на тръбите от въглеродни влакна продължават да се разширяват, фокусът ще се измести към устойчиви смоли и по-бързи производствени цикли. Въпреки това, основният принцип на съотношението тегло-към-якост на тръбите от въглеродни влакна ще остане еталон за измерване на съвършенството на материала.

Свържете се с нас

Ако искате да научите повече за производствения процес на тръби от въглеродни влакна, моля, свържете се с нас на sales18@julitech.cn. Можете също така да посетите нашата фабрика, разположена в Dongguan, Китай, удобно разположена близо до летището. Ние притежаваме и трите производствени процеса и 20 производствени машини.

Референции

Daniel, IM, & Ishai, O. (2006). Инженерна механика на композитните материали. Oxford University Press. Подробен анализ на ориентацията на влакната и нейното въздействие върху производителността.

Mallick, PK (2007). Подсилени с влакна-композити: материали, производство и дизайн. CRC Press. Основополагащ текст за разбиране на процеса на пултрузия на тръба от въглеродни влакна.

Сутис, К. (2005). Усилени с влакна композити в самолетостроенето. Напредък в аерокосмическите науки. Това проучване очертава прехода от метал към тръби от въглеродни влакна в дизайна на фюзелажа.