Vải sợi carbon dệt: Nó được sản xuất như thế nào và dùng để làm gì

Vải sợi carbon là gì - Vải sợi carbon dệt thực sự là gì

Vải sợi carbon đồng thời là vật liệu dệt và vật liệu kỹ thuật kết cấu. Bản thân các sợi là những sợi tinh thể mỏng - thường Đường kính 5–10 micron , gần bằng 1/10 đường kính sợi tóc người - bao gồm gần như hoàn toàn các nguyên tử cacbon được sắp xếp theo cấu trúc tinh thể than chì thẳng hàng dọc theo trục sợi. Sự liên kết tinh thể này là thứ mang lại cho sợi sức mạnh và độ cứng dọc trục đặc biệt.

Các sợi riêng lẻ không có công dụng về cấu trúc - chúng phải được bó thành các sợi (thường là 1.000, 3.000, 6.000 hoặc 12.000 sợi, ký hiệu là 1K, 3K, 6K, 12K) rồi dệt, khâu hoặc đặt theo một hướng cụ thể để tạo ra loại vải có thể sử dụng được. Khi vải sợi carbon dệt được kết hợp với ma trận nhựa (epoxy, polyester, vinylester hoặc nhựa nhiệt dẻo) và được xử lý, kết quả là hỗn hợp polymer gia cố bằng sợi carbon (CFRP) - vật liệu cứng, cứng được thấy trong thân máy bay, monocoques xe đua và đồ thể thao.

Ở trạng thái khô (vải đã được ngâm tẩm trước hoặc khô), vải sợi carbon xử lý giống hệt như một loại vải dệt thoi cứng, hơi trơn - nó có thể được cắt bằng kéo hoặc máy cắt quay, phủ lên bề mặt khuôn và tạo hình bằng tay. Khả năng định dạng này là một trong những lý do chính khiến định dạng dệt được ưu tiên hơn băng một chiều (UD) dành cho các hình dạng ba chiều phức tạp.

Vải sợi carbon được tạo ra như thế nào - Từ tiền thân đến vải dệt thoi

Sản xuất sợi carbon là một quá trình nhiệt và hóa học gồm nhiều giai đoạn, biến đổi tiền chất polymer hữu cơ - phổ biến nhất là polyacrylonitrile (PAN) - thành sợi tinh thể có hàm lượng carbon cao. Dệt vải là công đoạn cuối cùng của một dây chuyền sản xuất dài:

Cấu trúc vải dệt ảnh hưởng đến hiệu suất tổng hợp như thế nào

Kiểu dệt của vải sợi carbon không chỉ mang tính thẩm mỹ - nó trực tiếp xác định các tính chất cơ học, độ dẻo và độ hoàn thiện bề mặt của hỗn hợp tạo thành. Hiểu kiến ​​trúc dệt là điều cần thiết để chọn loại vải chính xác cho ứng dụng kết cấu.

Độ uốn - độ gợn sóng được đưa vào sợi khi chúng đi qua và đi qua các dây kéo - là biến số quan trọng. Sợi bị uốn cong mang tải ở một góc với trục của nó, làm giảm độ bền kéo hiệu quả của nó. Kiểu dệt chéo 2/2, mẫu được sử dụng rộng rãi nhất trong CFRP thương mại, đạt được khoảng 85–90% độ bền kéo của sợi lý thuyết trong tấm gỗ. Kiểu dệt satin 8H, trong đó mỗi sợi kéo vượt qua bảy sợi liền kề trước khi đan xen, tiếp cận Hiệu suất sợi 95% nhưng phải trả giá bằng độ ổn định khi dệt giảm (vải dễ bị biến dạng hơn trong quá trình xử lý và sắp xếp).

Vải sợi carbon được sử dụng để làm gì - Ứng dụng theo ngành

Các trường hợp sử dụng cho vải sợi carbon dệt trải rộng trên hầu hết mọi ngành nơi việc giảm trọng lượng kết cấu là mục tiêu thiết kế. Kiểu dệt cụ thể, kích thước kéo và trọng lượng khu vực được chọn thay đổi đáng kể giữa các ứng dụng dựa trên loại tải, yêu cầu hoàn thiện bề mặt và phương pháp sản xuất được sử dụng.

• Hàng không vũ trụ - cấu trúc sơ cấp và thứ cấp: Vỏ thân máy bay, tấm cánh, bề mặt điều khiển và vách ngăn sử dụng vải sợi carbon prereg chất lượng cao (vải tẩm nhựa) được xử lý trong nồi hấp dưới nhiệt và áp suất. Một máy bay thương mại một lối đi như Boeing 787 sử dụng khoảng 50% tổng hợp theo trọng lượng , với vải sợi carbon dệt tạo thành phần lớn cấu trúc vỏ chịu lực. Các cấp độ hàng không vũ trụ yêu cầu chứng nhận truy xuất nguồn gốc, dung sai trọng lượng khu vực chặt chẽ (thường là ± 3%) và xác nhận tỷ lệ thể tích sợi trong tấm ép được xử lý.
• Xe thể thao - monocoques, thân xe và thiết bị bay: Các tế bào sinh tồn Công thức 1 (monocoques), cụm sàn và cánh khí động học gần như được chế tạo hoàn toàn từ các tấm vải sợi carbon dệt. Sự kết hợp giữa độ cứng cực cao (ngăn chặn sự biến dạng bề mặt khí động học dưới lực ép xuống) và khả năng hấp thụ năng lượng va chạm (bắt buộc đối với các tiêu chuẩn an toàn va chạm của FIA) chỉ có ở vật liệu tổng hợp sợi carbon. Một cụm cánh trước Công thức 1 có trọng lượng dưới 8 kg mang tải trọng khí động học vượt quá 1.000 N ở tốc độ.
• Hàng hải - thân tàu, sàn và cột: Thân du thuyền đua, mui thuyền máy và cột buồm bằng sợi carbon sử dụng vải dệt để kết hợp độ cứng (chống lại độ lệch của thân tàu khi chịu tải trọng thủy tĩnh và sóng) và giảm trọng lượng (quan trọng đối với hiệu suất chèo thuyền). Cột buồm bằng sợi carbon được quấn bằng dây tóc và được đặt thủ công trên du thuyền đua ngoài khơi thường Nhẹ hơn 40–50% hơn cột nhôm tương đương, giúp hạ thấp trọng tâm và cải thiện đáng kể độ ổn định.
• Thiết bị thể thao và giải trí: Khung xe đạp, vợt tennis, trục chơi gôn, mái chèo, gậy khúc côn cầu và cột trượt tuyết sử dụng vải sợi carbon dệt làm vật liệu kết cấu chính. Khung xe đạp đường trường bằng sợi carbon có trọng lượng 700–900 g ở giá đỡ phía dưới cứng hơn đáng kể so với khung nhôm nặng hơn ba lần - hiệu quả về độ cứng chuyển trực tiếp đến việc truyền lực đạp và cảm giác của người lái.
• Kỹ thuật dân dụng và kết cấu - gia cố và sửa chữa: Vải sợi carbon dệt 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 Vải sợi carbon 300 g/m2 được liên kết với mặt chịu kéo của dầm bê tông có thể tăng khả năng uốn của nó lên 30–60%.
• Dụng cụ và đồ gá lắp công nghiệp: Đồ gá gia công chính xác, thiết bị kiểm tra và công cụ căn chỉnh được làm từ hỗn hợp sợi carbon duy trì độ chính xác về kích thước khi thay đổi nhiệt độ do hệ số giãn nở nhiệt gần như bằng 0 của sợi carbon ( khoảng −0,5 đến 1,5 × 10⁻⁶/°C theo hướng sợi). Dụng cụ bằng nhôm giãn nở và co lại có thể đo lường được theo sự thay đổi nhiệt độ trong xưởng; các công cụ bằng sợi carbon giữ hình dạng của chúng trong phạm vi micron trong phạm vi nhiệt độ 30°C.

Chọn vải sợi carbon dệt - Các thông số kỹ thuật chính

Việc chỉ định loại vải sợi carbon dệt chính xác cho ứng dụng kết cấu đòi hỏi phải khớp năm thông số với các yêu cầu cơ học, xử lý và hoàn thiện bề mặt của ứng dụng:

• Kích thước kéo (số K): Số K xác định số lượng sợi trên mỗi sợi - 1K (1.000 sợi), 3K, 6K, 12K. Giá trị K nhỏ hơn tạo ra các sợi dệt mịn hơn, chặt hơn với bề mặt hoàn thiện tốt hơn và tỷ lệ khối lượng sợi trên mỗi lớp cao hơn nhưng với chi phí cao hơn. vải 3K là tiêu chuẩn cho các bề mặt kết cấu nhìn thấy được (ô tô, thiết bị thể thao) nơi hình thức bên ngoài đóng vai trò quan trọng. vải 12K tạo ra độ phủ lớp phủ nhanh hơn và chi phí trên mỗi mét vuông thấp hơn nhưng có kết cấu bề mặt thô hơn. Đối với các ứng dụng chỉ có cấu trúc (ẩn), 12K thường được chỉ định để giảm chi phí vật liệu.
• Trọng lượng diện tích (g/m2): Trọng lượng trên một đơn vị diện tích của vải khô, thường dao động từ 80 g/m2 (siêu nhẹ) đến 600 g/m2 (kết cấu nặng) . Các loại vải nhẹ hơn tạo ra các lớp mỏng hơn trên mỗi lớp và cho phép kiểm soát chính xác hơn độ dày lớp và hướng của sợi, nhưng cần nhiều lớp hơn để đạt được độ dày lớp mục tiêu, tăng thời gian xếp lớp. Vải dày che phủ diện tích nhanh hơn nhưng ít phù hợp với những đường cong phức tạp.
• Loại sợi (mô đun tiêu chuẩn, mô đun trung gian, mô đun cao): Sợi carbon mô đun tiêu chuẩn (ví dụ: T300, T700) có mô đun kéo xấp xỉ 230–250 GPa - loại được sử dụng rộng rãi nhất cho vật liệu tổng hợp kết cấu. Mô đun trung gian (IM6, T800) đạt được 290–310 GPa , được sử dụng trong cấu trúc sơ cấp hàng không vũ trụ. Mô đun cao (M40, M55) đạt 400–500 GPa nhưng ngày càng trở nên giòn (biến dạng dẫn đến hư hỏng thấp hơn) - được sử dụng trong các kết cấu chính xác trong đó độ cứng chứ không phải độ bền là yếu tố quyết định thiết kế.
• Khả năng tương thích về kích thước: Kích thước hóa học áp dụng cho sợi kéo phải tương thích với hệ thống nhựa dự định. Kích thước tương thích với Epoxy là tiêu chuẩn và bao gồm hầu hết các ứng dụng. Kích thước tương thích với nhựa nhiệt dẻo có sẵn cho các hệ thống ma trận PEEK, nylon và polypropylene. Việc sử dụng sợi có kích thước không tương thích dẫn đến độ bám dính ma trận sợi kém, độ bền cắt giữa các lớp giảm và sự phân tách sớm - một dạng hư hỏng không thể nhìn thấy bên ngoài cho đến khi hỗn hợp đã mất tính toàn vẹn cấu trúc.
• Độ ổn định của vải dệt và biên vải: Các sợi dệt ổn định (xen kẽ chặt chẽ hơn) chống lại sự biến dạng của sợi trong quá trình xử lý và dễ dàng áp dụng hơn trên các bề mặt phẳng hoặc cong nhẹ. Các kiểu dệt không ổn định (satin dây nịt lớn) dễ dàng che phủ các đường cong phức tạp hơn nhưng có thể dịch chuyển trong quá trình xếp lớp, tạo ra độ gợn sóng của sợi và độ bền liên quan bị giảm. Chất lượng của biên vải (hoàn thiện cạnh) ảnh hưởng đến mức độ sạch của vải và ngăn ngừa sờn trong quá trình xử lý - vải sợi carbon dệt chất lượng có biên vải sạch sẽ, ổn định trên cả hai cạnh dọc.

Làm việc với vải sợi carbon dệt - Xử lý, cắt và an toàn

Vải sợi cacbon dệt yêu cầu các phương pháp xử lý khác với vải dệt thông thường và vải gia cố bằng sợi thủy tinh. Những khác biệt chính ảnh hưởng đến kỹ thuật cắt, quản lý bụi và bảo vệ cá nhân:

• Kỹ thuật cắt: Vải sợi carbon nên được cắt bằng kéo chuyên dụng, sắc bén, máy cắt quay trên thảm cắt hoặc lưỡi dao có đầu cacbua trên bàn cắt. Các lưỡi dao cùn gây đứt dây tóc ở cạnh cắt, tạo ra cạnh bị sờn, làm mất tính toàn vẹn về cấu trúc và tạo ra quá nhiều bụi carbon. Kéo và máy cắt quay được sử dụng trên sợi carbon sẽ bị cùn trong vòng vài mét sau khi cắt và phải được thay thế hoặc mài lại thường xuyên - không sử dụng các dụng cụ cắt đã được sử dụng bằng sợi carbon trên các loại vải khác mà không mài lại.
• Bảo vệ hô hấp - bắt buộc: Việc cắt và chà nhám sợi carbon sẽ giải phóng các sợi và hạt carbon mịn. Hít phải bụi sợi carbon gây kích ứng đường hô hấp và các sợi nhỏ có thể bám vào da và màng nhầy. Tối thiểu Mặt nạ phòng độc hạt FFP2 (N95) phải được đeo trong quá trình cắt khô, mài hoặc chà nhám vật liệu sợi carbon. Cần có mặt nạ phòng độc được cấp khí toàn mặt cho các hoạt động gia công kéo dài. Nên cắt ướt (sử dụng nước để khử bụi) khi gia công dụng cụ điện trên vật liệu tổng hợp sợi carbon đã xử lý.
• Nguy cơ dẫn điện: Sợi carbon có tính dẫn điện. Bụi sợi carbon và các mảnh vụn có thể làm chập mạch các thiết bị điện tử, PCB và bảng điện. Khu vực làm việc nơi cắt hoặc gia công sợi carbon phải được tách biệt khỏi thiết bị điện tử. Các mảnh sợi carbon lọt vào bảng điện đã gây ra hư hỏng thiết bị đáng kể và gây cháy trong môi trường chế tạo nơi không tuân thủ quy trình ngăn chặn.
• Lưu trữ: Vải sợi carbon dệt khô nên được bảo quản ở dạng cuộn (không được gấp lại - các nếp gấp có thể làm đứt sợi) trên bìa cứng hoặc lõi nhựa trong môi trường khô ráo, thoáng mát, tránh xa tia UV. Vải prereg (nhựa đã được ngâm tẩm) phải được bảo quản đông lạnh tại -18°C để ngăn chặn tiến trình xử lý nhựa và có thời gian chờ hạn chế (tổng thời gian có thể ở nhiệt độ phòng trước khi bắt đầu xử lý) do nhà sản xuất chỉ định - thường là Thời gian ngừng tích lũy 15–30 ngày trước khi vật liệu phải được sử dụng hoặc loại bỏ.