Tkanje od karbonskih vlakana: šta su i zašto ih koristiti

Ako ste se ikada zapitali zašto jedan komad karbonskih vlakana izgleda drugačije od drugog, niste sami. Ugljična vlakna dolaze u mnogo različitih tkanja, od kojih svaka služi različitoj svrsi, a nisu samo dekorativna.

Ugljična vlakna se prave od prekursora kao što su poliakrilonitril (PAN) i rajon. Prekursorska vlakna se hemijski tretiraju, zagrijavaju i rastežu, a zatim karboniziraju kako bi se stvorila vlakna visoke čvrstoće. Ova vlakna, ili filamenti, se zatim spajaju u snopove kako bi formirali pletenice, koje se identificiraju po broju karbonskih filamenata koje sadrže. Uobičajene klase vuče su 3k, 6k, 12k i 15k. "k" znači hiljadu, tako da je vuča od 3k napravljena od 3,000 karbonskih filamenata. Standardna vuča od 3k je obično 0.125" široka, tako da stavlja puno vlakana u mali prostor. 6k vuča ima 6,000 karbonskih filamenata, 12k vuča ima 12,{{16 }} karbonska vlakna, itd. Mnogo vlakana visoke čvrstoće spojenih zajedno su ono što karbonska vlakna čini tako jakim materijalom.

Tkana karbonska vlakna
Ugljična vlakna obično dolaze u obliku tkane tkanine, što olakšava rad i, ovisno o primjeni, može pružiti dodatnu strukturnu čvrstoću. Kao rezultat toga, tkanine od karbonskih vlakana dolaze u mnogo različitih tkanja. Najčešći su čvrsti, keper i satenski sa trakom, a svaki ćemo detaljnije pogledati.

plain weave
Ploče od karbonskih vlakana u običnom tkanju izgledaju simetrično, s malim izgledom šahovnice. U ovom tkanju, kudelje su pletene po uzorku preko/ispod. Kratak razmak između tkanja daje običnom tkanju visok stepen stabilnosti. Stabilnost tkanine je sposobnost tkanine da zadrži svoj ugao tkanja i orijentaciju vlakana. Zbog ovog visokog nivoa stabilnosti, platno tkanje je manje pogodno za složene konturne slojeve, neće biti tako fleksibilno kao neka druga tkanja. Uopšteno govoreći, plafonsko tkanje je pogodno za ravne listove, cijevi i dvodimenzionalne krivulje.

Jedan nedostatak ovog uzorka tkanja je grubo savijanje (ugao koji vlakna stvaraju prilikom tkanja, vidi dole) u vuči zbog kratke udaljenosti između prepleta. Grubi nabori stvaraju koncentraciju naprezanja koja može oslabiti dio tijekom vremena.

Twill weave
Keper djeluje kao most između običnog tkanja i satenskog tkanja o kojem ćemo dalje razgovarati. Keper je dovoljno fleksibilan da formira složene konture i bolji je u održavanju stabilnosti tkanine od sedlastog satenskog tkanja, ali nije tako dobar kao obično tkanje. Ako pratite vuču u keperu, ona prolazi kroz određeni broj vuča, a zatim kroz isti broj vuče. Uzorak iznad/ispod stvara izgled dijagonalnog vrha strelice poznat kao "dijagonalna linija". Veći razmak između prepletenih vuča znači manje savijanja i manju koncentraciju potencijalnog naprezanja u usporedbi s običnim tkanjem.

2×2 keper

4×4 keper
2×2 Twill je vjerovatno najpoznatija tkanina od karbonskih vlakana u industriji. Koristi se u mnogim kozmetičkim i dekorativnim aplikacijama, ali je i vrlo funkcionalan, ima i umjerenu formabilnost i umjerenu stabilnost. Kao što naziv 2×2 implicira, svaka vuča će proći kroz 2 vuča, a zatim kroz 2 vuča. Isto tako, keper 4×4 će proći kroz 4 vuče, a zatim 4 vuče. Nešto je bolje oblikovan od kepera 2×2 jer tkanje nije tako čvrsto, ali je i manje postojano.

Satensko tkanje
Satensko tkanje je osmišljeno prije hiljadama godina kako bi se stvorile svilene tkanine koje se odlično zavijaju dok izgledaju glatko i bešavno. Za kompozite, ova mogućnost nanošenja znači da mogu sa lakoćom formirati i omotati složene konture. Zbog visoke formabilnosti ove tkanine, očekuje se da ima nisku stabilnost. Uobičajena tkanja su četverokraka (4HS), petokraka (5HS) i osmokraka (8HS). Kako se broj satenskih tkanja povećava, povećava se sposobnost oblikovanja dok se smanjuje stabilnost tkanine.

4HS

5HS

8HS

Broj u nazivu Harness Satin označava ukupan broj pređenih vuče. Za 4HS to će biti preko 3 vuče, a zatim ispod 1 vuča. Za 5HS to će biti više od 4 tegljenja, zatim ispod 1 vuča, a za 8HS će biti više od 7 vuče, a zatim ispod 1 vuča.

Spread Tow vs. Standard Tow
Rasprostranjeni materijali za vuču mogu biti dobar kompromis između korištenja jednosmjernih materijala i standardnih tkanih materijala. Kada se vlaknaste pletenice tkaju gore-dolje kako bi se formirala tkanina, čvrstoća je smanjena zbog nabora na vučama. Kako povećavate broj filamenata u standardnoj vuči, recimo sa 3k na 6k, vuča postaje veća (deblji) i ugao savijanja postaje oštriji. Jedan od načina da se to izbjegne je da se filamenti rašire u šire pletenice, poznate kao raširene vrpce, što ima nekoliko prednosti.

Raširene vučne trake pružaju manji ugao savijanja od standardnih pletenica za vuču i mogu smanjiti defekte križanja povećanjem glatkoće. Manji uglovi savijanja će rezultirati većom čvrstoćom. Rasprostranjeni materijali za vuču također su lakši za rad od jednosmjernih materijala i još uvijek imaju prilično dobru prevenciju povlačenja vlakana.

Raširite običnu vuču

Raširite vuču od kepera
jednosmjerno
Kao što ime govori, uni znači jedno, a sva vlakna su okrenuta u istom smjeru. Ovo pruža neke prednosti visoke čvrstoće jednosmjernim (UD) tkaninama. UD tkanina nije tkana i nema uvijena isprepletena vlakna koja bi oslabila strukturu. Umjesto toga, postoje kontinuirana vlakna koja daju snagu i krutost. Još jedna prednost je mogućnost prilagođavanja slaganja uz veću kontrolu nad karakteristikama performansi. Okvir bicikla je odličan primjer kako se UD tkanine mogu koristiti za podešavanje performansi. Okvir mora biti čvrst u području donjeg nosača kako bi prenio snagu vozača na kotače, ali također mora biti usklađen i fleksibilan kako ne bi preopteretio vozača. Sa UD materijalima možete odabrati preciznu orijentaciju vlakana kako biste postigli željenu čvrstoću.

Glavni nedostatak UD-a je njegova upravljivost. UD se lako raspada tokom polaganja jer nema isprepletena vlakna koja ga drže zajedno. Ako su vlakna pogrešno postavljena, gotovo je nemoguće ponovo ih pravilno preorijentisati. Obrađeni dijelovi napravljeni od UD tkanina također mogu uzrokovati probleme. Ako se bilo koja vlakna povuku gore na mjestu gdje je element izrezan, ta labava vlakna će se povući do kraja kroz dio. Tipično, ako je UD materijal odabran za polaganje, sloj tkanog materijala se koristi za prvi i posljednji sloj kako bi se poboljšala obradivost i trajnost dijela. To je ono što okviri za hobiste dronova rade sve do proizvodnje dijelova za rakete.