Mitä CFRP-yhdisteet ovat ja miksi ne ovat hyödyllisiä?

Hiilikuituvahvisteiset polymeerit eli CFRP:t ovat luokka erittäin pienitiheyksisiä ja lujia komposiittimateriaaleja, joita voidaan käyttää useilla eri aloilla, mukaan lukien erittäin kilpaurheilun varusteista ilmailuteollisuuteen. Vaikka sen tekninen nimi on hiilikuituvahvisteiset polymeerikomposiitit, useimmat ihmiset kutsuvat tätä materiaaliluokkaa yksinkertaisesti hiilikuiduksi .

Kuten niiden nimestä voi päätellä, nämä yhdisteet muodostuvat polymeeri- tai muovimatriisista, joka on vahvistettu erittäin kestävällä hiilikuitukankaalla. Komposiitin lopulliset ominaisuudet riippuvat sekä käytetyn hartsin tyypistä että kuitujen erityisominaisuuksista sekä tavasta, jolla kuidut on kudottu yhteen matriisin sisällä ja suunnasta, jolla ne ovat materiaalissa. Toisaalta yleensä lisätään erilaisia ​​lisäaineita, jotka muuttavat edelleen tuloksena olevan osan ominaisuuksia.

Polymeerimatriisi

Polymeerimatriisi täyttää tehtävän pitää hiilikuidut yhdessä ja kiinteässä asennossa; se myös muotoilee valmistettavaa osaa.Tämä koostuu melkein aina lämpökovettuneesta epoksihartsista, vaikka on tapauksia, joissa sen sijaan käytetään ilmakovettuneita hartseja tai jotain termoplastista tai muuta polymeeriä.

Osien valmistusprosessissa epoksihartsia voidaan sisällyttää eri tavoin. Joissakin tapauksissa hiilikuitulevyt ovat jo kastettuja hartsiin ennen kuin ne pinotaan päällekkäin; muissa tapauksissa asetetaan kerroksia kovettumatonta hartsia, jota seuraa hiilikuitulevy, sitten toinen hartsikerros ja niin edelleen.

hiilikuituja

Hiilikuidun valmistusprosessi

Hiilikuitujen valmistusprosessi on erittäin nerokas. Pohjimmiltaan se koostuu synteettisen polymeerikuidun, eli muovin, valmistuksesta ja kehruusta. Tämä voidaan valmistaa kuitujen muodossa joko sulattamalla jo syntetisoitu muovi ja sitten venyttämällä sitä vielä kuumana tai vetämällä sitä polymeroituessaan. Joka tapauksessa lopputuloksena on polymeerilanka, joka koostuu ketjuista, joissa on tuhansia hiiliatomeja sekä vetyä, happea ja mahdollisesti jotain muuta alkuainetta.

Kun kuidun perusrakenne on saatu, seuraava vaihe on materiaalin karbonointi, eli kaikki muut rakenteen atomit eliminoidaan. Tämä saavutetaan yleensä kuumentamalla synteettikuitupuolat korkeaan lämpötilaan joko tyhjiössä tai inertissä ilmakehässä (eli ilman happea).

Näiden kuitujen valmistusprosessi vaihtelee suuresti valmistajasta toiseen. Laatu sekä kemialliset ja mekaaniset ominaisuudet riippuvat suurelta osin synteesi- ja valmistusmenetelmästä sekä siitä, miten kuidut kudotaan yhteen valmistettaessa myöhemmin komposiitin muodostavia levyjä. Tästä syystä hiilikuitukomposiitteja löytyy eri muodoissa ja hyvin vaihtelevissa hintaluokissa.

Laminaatti hiilikuitua

Hiilikuituja voidaan viedä muovimatriisiin levyinä, jotka sisältävät yksisuuntaisia ​​kuituja, jotka on strategisesti suunnattu vahvistamaan lopullista kappaletta tiettyihin suuntiin. Kuitujen mekaaninen kestävyys tapahtuu pohjimmiltaan sen akselia pitkin, joten jos halutaan valmistaa eri suuntiin taipumista kestävä osa, materiaaliin on välttämättä syötettävä kuituja, jotka kulkevat osan läpi mainittuihin suuntiin.

Jälkimmäinen toteutetaan yleensä kahdella tavalla. Ensimmäinen, joka on halvin, on ottaa arkkeja, joissa kuidut on suunnattu samaan suuntaan, ja pinota ne eri suuntiin. Hyvin yleinen ja tehokas valinta on pinota kolme arkkia 0°, +60° ja -60° kulmassa toisiinsa nähden. Tämä järjestely mahdollistaa suhteellisen tasaisen lujuuden kaikkiin suuntiin mahdollisimman vähäisellä hiilikuituasetelmalla.

Toinen hyvin yleinen vaihtoehto, vaikkakin paljon kalliimpi, on käyttää hiilikuitulevyjä, jotka on kudottu kohtisuoraan, eli samalla tavalla kuin langat kudotaan kankaan valmistamiseksi. Kuitujen sisältäminen kahdessa kohtisuorassa suunnassa vahvistaa materiaalia jo kahdessa suunnassa, mutta kudos lisää sen suuren edun, että se vähentää merkittävästi arkkien taipumusta irrota toisistaan, kun materiaalia jännitetään ja taivutetaan, mikä on hyvin yleinen tyyppi. tämän tyyppisten laminoitujen materiaalien vioista.

Osien, joissa on korkea lujuus-painosuhde CFRP-yhdisteitä, valmistus ;

Kuten aiemmin mainittiin, osat valmistetaan laminoimalla hiilikuidut jonkinlaisella hartsilla, mutta osan yleinen muoto saadaan muottien avulla. Itse asiassa valmistusprosessi koostuu siitä, että aloitetaan hartsikerroksella muotin sisäpinnalla, sitten asetetaan hiilikuitulevy, joka näkyy ulkopuolelta, sitten toinen hartsikerros ja prosessi toistetaan.

Valmistettaessa osia, jotka eivät vaadi erityisen suuria voimia, riittää yleensä muottien puristaminen hartsin kovettumisen aikana, ja joissain tapauksissa se yleensä myös kuumennetaan. Kuitenkin, kun on kyse kriittisistä osista, joilla on oltava mahdollisimman suuri vastus, kuten lentokoneen rungon osat tai Formula 1 -auton siivet, osat on alistettava tyhjiöön rakenteiden mahdollisten kuplien poistamiseksi. . jotka voivat vaikuttaa sen suorituskykyyn.

Lisäksi näissä tapauksissa kappaleet yleensä hehkutetaan myös autoklaavissa hartsin kovettamiseksi nopeammin. Tämä vaatimus tekee hiilikuituosien valmistuksesta erittäin kallista; Puhumattakaan siitä, että hiilikuitulevyt ovat jo nyt huomattavasti kalliita.

Tämä haitta, kuten myös eräät muut materiaalin johtavuuteen ja moniin vauriotiloihin liittyvät ongelmat, joita on vaikea mallintaa osien suunnitteluvaiheessa, tarkoittavat, että CFRP-komposiitteja ei voida hyödyntää täysimääräisesti monissa keskeisissä sovelluksissa. Esimerkki tästä nähtiin, kun SpaceX luopui aikeestaan ​​rakentaa seuraava lippulaivansa, Starship, hiilikuidusta. Oli yksinkertaisesti liian kallista ja epäkäytännöllistä rakentaa riittävän suuri autoklaavi avaruusaluksen eri komponenttien rakentamiseen, joten he päättivät käyttää sen sijaan ruostumatonta terästä, mikä on epätavallinen valinta ilmailuteollisuudessa.

CFRP-komposiittien ominaisuudet

CFRP-komposiiteilla on monia ainutlaatuisia ominaisuuksia, joita hyödynnetään erilaisissa sovelluksissa. Jotkut niistä ovat:

• Se on erittäin kevyt ja erittäin kestävä materiaali. Sillä on paljon suurempi lujuus-painosuhde kuin teräksellä ja jopa titaanilla.
• Niillä on erittäin korkea kimmo-painosuhde, myös korkeampi kuin millään metallilla.
• Se on materiaali, jolla on korkea väsymiskestävyys.
• Sekä polymeerimatriisi että sen sisältämät hiilikuidut ovat kemiallisesti inerttejä, mikä antaa CFRP-komposiiteille erittäin hyvän korroosionkestävyyden.
• Sen lämpölaajenemiskerroin on erittäin pieni, mikä tarkoittaa, että CFRP-komposiiteista valmistetut osat kärsivät hyvin vähän vääristymiä kuumennettaessa tai jäähdytettäessä.
• Niillä on sähkönjohtavuus. Grafiitti on erittäin hyvä johde ja hiilikuidut pääosin grafiittia, joten niitä sisältävät yhdisteet johtavat sähköä erityisesti kuitujen suuntaan. Sovelluksesta riippuen tämä voi olla sekä hyvää että huonoa.

Näiden ominaisuuksien lisäksi CFRP-komposiiteilla on myös joitain lisäominaisuuksia, jotka voivat olla haitallisia tietystä sovelluksesta riippuen:

• Ne ovat herkkiä ultraviolettivalolle (UV). UV-valo pystyy edistämään monia erilaisia ​​kemiallisia reaktioita vapaiden radikaalien avulla, jotka hajottavat sekä useimpia polymeerihartseja että hiilikuituja tuhoten niiden mekaanisia ominaisuuksia. Tämä ratkaistaan ​​yleensä maalikerroksella, joka imee säteilyn ennen kuin se saavuttaa yhdisteen.
• Yleisesti ottaen CFRP-komposiiteilla on alhainen iskunkestävyys.
• Kun CFRP-komposiitit työnnetään lujuuden äärirajoille, vaurio on usein katastrofaalinen, koska hiilikuidut ovat hauraita. Vikatilat sisältävät delaminoitumisen (kun kuituarkit erottuvat toisistaan) ja kuidun repeytymistä.

CFRP-komposiittien ominaisuudet ovat anisotrooppisia.

On huomattava, että useimmat edellä mainituista CFRP-komposiittien ominaisuuksista ovat anisotrooppisia, mikä tarkoittaa, että ne eivät ole tasaisia ​​koko materiaalissa ja että ne riippuvat suunnasta, jossa niitä mitataan. Tämä on seurausta siitä, että ne koostuvat järjestetyistä kuiduista, jotka seuraavat hyvin määriteltyjä ohjeita. Tästä johtuen materiaalin ominaisuudet näissä suunnissa ovat hyvin erilaisia ​​kuin eri suuntien ominaisuudet.

Esimerkiksi CFRP-komposiitin, jossa on 70 % hiilikuituja epoksihartsissa, vetomoduulin arvo on vain 10,3 GPa kuituihin nähden kohtisuorassa suunnassa, kun taas aksiaali- tai pituussuunnassa saman moduulin arvo on 181 GPa. Veto- tai vetolujuuden ero on vieläkin dramaattisempi, sillä kuituihin nähden kohtisuorassa suunnassa arvo on 40 MPa, kun taas pituussuunnassa se on 1500 MPa, lähes 40 kertaa suurempi. Lopuksi tämän yhdisteen laajenemiskerroin on 112,5 kertaa pienempi kuituja pitkin kuin kohtisuorassa suunnassa.

CFRP-komposiittien yleiset sovellukset

Huolimatta siitä, että CFRP-komposiitteja käytetään monissa huippuluokan tuotteissa (koska se on paljon kalliimpaa materiaalia kuin useimmat muut vaihtoehdot), CFRP-komposiitteja käytetään pääasiassa neljällä teollisuudenalalla:

ilmailuteollisuudessa

Näitä yhdisteitä käytettiin lentokoneiden valmistuksessa ensimmäisen kerran 1950-luvulla, ja niiden käyttö teollisuudessa on vain lisääntynyt. Boeingin 767- ja 777-lentokonemallit sisältävät 3 % ja 7 % CFRP-yhdisteitä. Näissä tapauksissa niitä käytettiin joissakin rakenneosissa. Toisaalta uudessa Boeing 787 Dreamliner -mallissa koko runko ja siivet on valmistettu hiilikuidusta ja tämä materiaali edustaa 50 % mainitun lentokoneen painosta ja 80 % tilavuudesta; tämä suuntaus on havaittavissa myös muiden lentokonevalmistajien kohdalla.

Toisaalta huolimatta siitä, että SpaceX luopui hiilikuidusta Starship-aluksessaan, toinen yksityinen ilmailualan yritys nimeltä Rocket Lab on juuri ilmoittanut rakentavansa uuden rakettinsa, Neutronin, joka on kokonaan hiilikuidusta valmistettu uudelleenkäytettävä raketti.

Autoteollisuudessa

Vuosien ajan maailman nopeimmat kilpa-autot on valmistettu hiilikuidusta. Tämä ei ole vain osa ulkoa, vaan se on päämateriaali, joka muodostaa korirakenteen ja siivet, jotka pitävät autot kiinni maassa kiihtyessään, vaan myös alustassa. Itse asiassa 60–70 % McLaren Formula 1 -auton rakenteellisesta painosta koostuu hiilikuidusta (tämä ei sisällä moottoria, pyöriä ja vaihteistoa).

Yksityiskäyttöön tarkoitettujen autojen tapauksessa vain huippuluokan autot, kuten luksusurheiluautot, käyttävät hiilikuitua jossain osassa koria tai rakennetta.

Laivastoteollisuus

Sekä niiden pieni paino että korkea korroosionkestävyys tekevät CFRP-komposiiteista ihanteellisia kevyiden ja supernopeiden veneiden rakentamiseen. Nykyään niitä käytetään kuitenkin yhä enemmän suurempien alusten rakentamisessa, mukaan lukien jahdit ja laivat ammattikäyttöön.

Vähemmän huoltoa vaativan kemiallisen kestävyyden lisäksi painonsäästö on yksi tärkeimmistä syistä, miksi tämä materiaali tunkeutuu tälle alalle ja korvaa muut vaihtoehdot, kuten alumiinin, teräksen ja jopa muita polymeeriyhdisteitä, kuten lasikuitua.

Erittäin kilpaurheilussa

Yksi yleisimmistä ja näkyvimmistä hiilikuidun sovelluksista urheilussa on korkean suorituskyvyn polkupyörien runkojen rakentaminen. Riippumatta siitä, mikä pyöräilyala on kyseessä, olipa kyseessä maastopyöräily, alamäki- tai maantiepyörä Tour de Francelle, parhaat pyörät on valmistettu lähes kokonaan hiilikuidusta.

Toisaalta hiilikuitua on kaikkialla myös ohuissa rakenneosissa, joiden tulee olla erittäin kestäviä, kuten huippuluokan golfmailat, kilpailuvavat, tennismailat ja jopa pöytätennismailat tai pöytätennis.

Viitteet

Boeing 787 Dreamliner – yleiskatsaus . (nd). Science Direct. https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/boeing-787-dreamliner

Barta, C. (2018, 15. lokakuuta). Hiilikuitu: tiedot, rakenne ja ominaisuudet . CarboSystem. https://carbosystem.com/fibra-de-carbono-2/

Gardiner, G. (2010, 30. marraskuuta). Miksi CFRP? CompositesWorld. https://www.compositesworld.com/articles/why-cfrp

Giurgiutiu, V. (2016, 1. tammikuuta). Ilmailu- ja avaruuskomposiittien rakenteellisen kunnon seuranta . Science Direct. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B9780124096059000015

Kopeliovich, D. (2012a, 2. kesäkuuta). Hiilikuituvahvisteiset polymeerikomposiitit [SubsTech] . SubsTech. https://www.substech.com/dokuwiki/doku.php?id=carbon_fiber_reinforced_polymer_composites

Gomez, JL (2021, 23. syyskuuta). Mitä on hiilikuitu, se materiaali, joka itsessään on arvoton ja joka hartsin kanssa on kaiken arvoista . Diariomotor.com. https://www.diariomotor.com/que-es/tecnologia/fibra-de-carbono/

Kopeliovich, D. (2012b, 3. kesäkuuta). 70 % hiilikuiduilla vahvistettu epoksimatriisikomposiitti [SubsTech] . SubsTech. https://www.substech.com/dokuwiki/doku.php?id=epoxy_matrix_composite_reinforced_by_70_carbon_fibers

McLaren. (2020, 5. kesäkuuta). Kiehtova tarina hiilikuidusta . McLaren Racing. https://www.mclaren.com/racing/car/fascinating-story-carbon-fibre-1654987/

López, JC (2019, 30. kesäkuuta). Hiilikuitu: mitä se on ja miksi se on niin houkutteleva kulutuselektroniikassa kuin ilmailussa tai. . . Xataka. https://www.xataka.com/investigacion/fibra-carbono-que-que-atractiva-para-electronica-consumo-como-para-aeronautica-automocion

Zhao, Q., Zhang, K., Zhu, S., Xu, H., Cao, D., Zhao, L., Zhang, R., & Yin, W. (2019). Katsaus hiilikuituvahvisteisen polymeerin sähkövastukseen/johtavuuteen. Applied Sciences , 9 (11), 2390. https://www.mdpi.com/2076-3417/9/11/2390/htm