В света на материалите с висока производителност тъканите от въглеродни влакна се очертаха като промяна на играта, намирайки широко разпространени приложения в космическата индустрия, автомобилостроенето, спортното оборудване и много други индустрии. Като водещ доставчик на тъкани от въглеродни влакна, прекарах безброй часове в изследване на всеки аспект на тези забележителни материали. Един от най-критичните фактори, които значително влияят върху свойствата на тъканите от въглеродни влакна, е обемната част на влакната. В тази публикация в блога ще разгледам как обемната част на влакната влияе върху механичните, термичните и други свойства на тъканите от въглеродни влакна и защо това знание е от съществено значение както за производителите, така и за крайните потребители.
Разбиране на обемната фракция на влакната
Обемната част на влакната (Vf) се определя като съотношението на обема на въглеродните влакна към общия обем на композитния материал (въглеродни влакна + матрица). Обикновено се изразява като процент. Например, ако тъканният композит от въглеродни влакна има обемна част от влакната от 60%, това означава, че 60% от общия обем на композита е зает от въглеродни влакна, а останалите 40% са матричният материал, който обикновено е смола.
Обемната част на влакната е ключов параметър, тъй като въглеродните влакна и матричният материал имат различни свойства и техните относителни пропорции определят как ще се държи композитът като цяло. Въглеродните влакна са известни със своята висока якост, твърдост и ниска плътност, докато матрицата държи влакната на място, прехвърля товарите между тях и ги предпазва от увреждане на околната среда.
Ефект върху механичните свойства
Якост на опън
Якостта на опън на тъканите от въглеродни влакна е силно зависима от обемната част на влакната. Тъй като обемната част на влакната се увеличава, якостта на опън на композита обикновено се увеличава. Въглеродните влакна са основният носещ товар компонент в композита. Когато има по-голяма обемна част от влакна, има повече налични влакна, за да поемат приложеното натоварване. Например в еднопосочна тъкан от въглеродни влакнаЕднопосочен плат от въглеродни влакна, където влакната са подредени в една посока, по-високата обемна част на влакното води до по-ефективно прехвърляне на натоварването по посока на влакното, което води до по-висока якост на опън.
Въпреки това, има ограничение за това колко якостта на опън може да се увеличи с обемната част на влакната. При много високи обемни фракции на влакната (напр. над 70 - 75%), става трудно да се импрегнират напълно влакната със смолистата матрица. Може да възникне образуване на кухини, които могат да действат като концентратори на напрежение и да намалят общата якост на опън на композита.
Скованост
Подобно на якостта на опън, твърдостта или модулът на еластичност на тъканите от въглеродни влакна също се увеличава с увеличаване на обемната част на влакната. Въглеродните влакна имат много по-висок модул от матрицата от смола. Тъй като делът на влакната в композита нараства, общата твърдост на структурата става все по-доминирана от свойствата на влакната. Това е особено важно в приложения, където стабилността на размерите и устойчивостта на деформация са от решаващо значение, като например в аерокосмическите конструкции. Тъкан от въглеродни влакна с висока фракция на обемни влакна позволява проектиране на леки, но твърди компоненти, които могат да издържат на значителни натоварвания без прекомерна деформация.
Якост и издръжливост на огъване
Якостта на огъване, която се отнася до способността на материала да издържа на огъване, също се влияе от обемната част на влакната. По-високата обемна част на влакната обикновено води до увеличаване на якостта на огъване, тъй като има повече влакна, които да устоят на силите на огъване. Въпреки това, якостта на композита, която е способността да абсорбира енергия преди счупване, може не винаги да нараства линейно с обемната част на влакната. Докато влакната допринасят за здравината, матрицата също играе роля в усвояването на енергия. При умерени обемни фракции на влакната, матрицата може да се деформира пластично и да абсорбира значителна енергия, повишавайки здравината на композита. При много високи обемни фракции на влакната, композитът може да стане по-крехък, тъй като има по-малко матричен материал за разсейване на енергията.
Ефект върху топлинните свойства
Топлопроводимост
Топлинната проводимост на тъканите от въглеродни влакна се влияе от обемната част на влакната. Въглеродните влакна имат относително висока топлопроводимост в сравнение с повечето смолни матрици. Тъй като обемната част на влакната се увеличава, общата топлопроводимост на композита също се увеличава. Това свойство е от полза в приложения, където се изисква разсейване на топлината, като например в електронни кутии или топлообменници. Чрез увеличаване на обемната част на влакната, композитът може по-ефективно да пренася топлината от горещите компоненти, намалявайки риска от прегряване.
Термично разширение
Топлинното разширение е друго важно топлинно свойство, което се влияе от обемната част на влакната. Въглеродните влакна имат много нисък коефициент на топлинно разширение (CTE), докато смолните матрици обикновено имат по-висок CTE. По-високата обемна фракция на влакната в композита води до по-нисък общ КТР, което е предимство в приложения, където е необходима стабилност на размерите в широк температурен диапазон. Например, в аерокосмическите компоненти, които са подложени на екстремни температурни промени по време на полет, композитът от тъкан от въглеродни влакна с висока обемна фракция на влакната може да поддържа формата и размерите си по-точно.
Ефект върху други свойства
Плътност
Плътността на тъканите от въглеродни влакна е пряко свързана с обемната част на влакната. Тъй като въглеродните влакна са по-плътни от повечето смолни матрици, увеличаването на обемната част на влакната обикновено ще доведе до увеличаване на плътността на композита. Въпреки това, дори с увеличаването на плътността, композитите от въглеродни влакна все още предлагат значително предимство в сравнение с традиционните материали като стомана или алуминий. Производителите трябва да балансират желанието за високи обемни фракции на влакната за подобрени механични свойства с необходимостта да контролират теглото на крайния продукт.
Химическа устойчивост
Химическата устойчивост на тъканите от въглеродни влакна също се влияе от обемната част на влакната. Материалът на матрицата осигурява бариера срещу химически агенти. При по-високи обемни фракции на влакната има по-малко наличен матричен материал за защита на влакната от химическа атака. В някои случаи това може да намали общата химическа устойчивост на композита. Правилният избор на матрицата от смола обаче може да смекчи този проблем и в много приложения композитите от въглеродни влакна все още предлагат отлична химическа устойчивост.
Значение на контролирането на обемната фракция на влакната
Като доставчик на тъкани от въглеродни влакна разбирам значението на контролирането на обемната част на влакната по време на производствения процес. Различните приложения изискват различни обемни фракции на влакна за постигане на желаните свойства. Например, при високопроизводителни аерокосмически компоненти може да се изисква много висока обемна фракция на влакната (около 60 - 70%), за да се изпълнят строгите изисквания за якост и твърдост. Обратно, за някои потребителски продукти, където цената и лекотата на производство са по-важни, по-ниска обемна фракция на влакна (около 30 - 40%) може да бъде достатъчна.
Прецизният контрол на обемната част на влакната също така осигурява постоянство в качеството на тъканите от въглеродни влакна. Вариациите в обемната част на влакната могат да доведат до значителни промени в механичните и термичните свойства на крайния продукт, което може да бъде неприемливо в много индустрии. Нашите производствени процеси са проектирани да контролират прецизно обемната фракция на влакната, като гарантират, че нашите клиенти получават тъкани от въглеродни влакна със свойствата, от които се нуждаят.
Заключение и контакт за покупка
Обемната част на влакната играе решаваща роля при определянето на механичните, термичните и други свойства на тъканите от въглеродни влакна. Независимо дали проектирате високоскоростна състезателна кола, леко самолетно крило или издръжливо спортно оборудване, разбирането как обемната част на влакната влияе върху тези свойства е от съществено значение за постигане на оптимална производителност на вашия продукт.
Като надежден доставчик на тъкани от въглеродни влакна, ние предлагаме широка гама от продукти, включителноТъкан от кепър от въглеродни влакнаиКарбонова подложка, с персонализируеми обемни фракции на влакната, за да отговори на вашите специфични изисквания. Нашият екип от експерти винаги е готов да ви помогне при избора на правилната тъкан от въглеродни влакна за вашето приложение.
Ако се интересувате от закупуване на нашите тъкани от въглеродни влакна или имате нужда от повече информация, моля не се колебайте да се свържете с нас. Ние сме нетърпеливи да започнем продуктивна дискусия с вас и да ви помогнем да намерите най-доброто решение за вашия проект.
Референции
- Джоунс, RM (1999). Механика на композитните материали. Тейлър и Франсис.
- Чаула, KK (2019). Композитни материали: наука и инженерство. Спрингър.
- Hull, D., & Clyne, TW (1996). Въведение в композитните материали. Cambridge University Press.
