Hva er CFRP-forbindelser og hvorfor er de nyttige?

Karbonfiberforsterkede polymerer, eller CFRP-er , er en klasse av komposittmaterialer med svært lav tetthet og høy styrke som finner anvendelse i et bredt spekter av bransjer, inkludert som spenner fra utstyr for svært konkurransedyktige sporter til romfartsindustrien. Til tross for at dets tekniske navn er karbonfiberforsterkede polymerkompositter, refererer de fleste til denne klassen av materialer ganske enkelt som karbonfiber .

Som navnet antyder, er disse forbindelsene dannet av en polymer- eller plastmatrise forsterket med et karbonfiberstoff med høy motstand. De endelige egenskapene til kompositten avhenger av både typen harpiks som brukes og de spesielle egenskapene til fibrene, samt måten fibrene er sammenvevd i matrisen og retningen de har i materialet. På den annen side tilsettes vanligvis forskjellige tilsetningsstoffer for ytterligere å modifisere egenskapene til den resulterende delen.

Den polymere matrisen

Polymermatrisen fyller funksjonen med å holde karbonfibrene sammen og i en fast posisjon; det former også delen som lages.Denne består nesten alltid av en varmeherdet epoksyharpiks, selv om det er tilfeller hvor luftherdet harpiks eller en eller annen termoplast eller annen polymer brukes i stedet.

I delproduksjonsprosessen kan epoksyharpiks inkluderes på forskjellige måter. I noen tilfeller er karbonfiberark allerede dynket i harpiksen før de stables oppå hverandre; i andre tilfeller legges lag med uherdet harpiks, etterfulgt av et ark med karbonfiber, deretter et nytt lag med harpiks, og så videre.

karbonfibre

Produksjonsprosess for karbonfiber

Produksjonsprosessen for karbonfiber er veldig genial. I hovedsak består det av først å produsere og spinne en syntetisk polymerfiber, det vil si en plast. Dette kan tilberedes i form av fibre, enten ved å smelte en allerede syntetisert plast og deretter strekke den mens den fortsatt er varm, eller ved å trekke i den mens den polymeriserer. I alle fall er sluttresultatet en polymertråd som består av kjeder med tusenvis av karbonatomer, pluss hydrogen, oksygen og muligens et annet grunnstoff.

Når den grunnleggende strukturen til fiberen er oppnådd, er neste trinn karboniseringen av materialet, det vil si at alle de andre atomene i strukturen er eliminert. Dette oppnås vanligvis ved å varme opp de syntetiske fiberspolene til høy temperatur, enten under vakuum eller i en inert atmosfære (dvs. i fravær av oksygen).

Produksjonsprosessen for disse fibrene varierer sterkt fra en produsent til en annen. Kvaliteten og de kjemiske og mekaniske egenskapene avhenger i stor grad av syntese- og fremstillingsmetoden, i tillegg til måten fibrene er sammenvevd på når man forbereder arkene som senere skal danne kompositten. Av denne grunn kan karbonfiberkompositter finnes i forskjellige presentasjoner og med svært varierte prisklasser.

Laminat av karbonfiber

Karbonfibre kan innføres i plastmatrisen i form av ark som inneholder ensrettede fibre, som er strategisk orientert for å forsterke det endelige stykket i visse retninger. Den mekaniske motstanden til fibrene skjer fundamentalt langs dens akse, så hvis du ønsker å produsere en del som er motstandsdyktig mot bøyning i forskjellige retninger, må fibre som går gjennom delen i nevnte retninger nødvendigvis innføres i materialet.

Det siste oppnås vanligvis på en av to måter. Den første, som er minst kostbar, er å ta ark der fibrene alle er orientert i samme retning og stable dem i forskjellige orienteringer. Et veldig vanlig og effektivt valg er å stable tre ark plassert i vinkler på 0°, +60° og -60° til hverandre. Dette oppsettet gir relativt jevn styrke i alle retninger med et minimum av karbonfiberopplegg.

Et annet veldig vanlig alternativ, selv om det er mye dyrere, er å bruke ark med karbonfiber vevd vinkelrett, det vil si på samme måte som tråder veves for å lage en klut. Inneholder fibre i to vinkelrette retninger styrker allerede materialet i to retninger, men vevingen gir den store fordelen ved å drastisk redusere tendensen til arkene til å skille seg fra hverandre når materialet utsettes for strekk og bøyning, som er en veldig vanlig type svikt i denne typen laminerte materialer.

Produksjon av deler med høy styrke-til-vekt-forhold CFRP-forbindelser ;

Som nevnt før er delene laget ved å laminere karbonfibrene ispedd en eller annen type harpiks, men den generelle formen på delen er gitt ved hjelp av former. Faktisk består produksjonsprosessen av å starte med et lag med harpiks på den indre overflaten av formen, deretter plasseres et ark med karbonfiber som vil være synlig fra utsiden, deretter et nytt lag med harpiks og prosessen gjentas.

Ved fremstilling av deler som ikke krever spesielt høye krefter, er det vanligvis nok å presse formene mens harpiksen herder, og i noen tilfeller varmes den også vanligvis opp. Men når det gjelder kritiske deler som må ha størst mulig motstand, for eksempel deler av flykroppen eller vingene til en Formel 1-bil, må delene utsettes for vakuum for å eliminere eventuelle bobler i strukturen. som kan påvirke ytelsen.

I tillegg blir delene i disse tilfellene også vanligvis glødet i en autoklav for å herde harpiksen raskere. Dette kravet gjør produksjonen av karbonfiberdeler svært kostbar; Det er ikke å nevne at karbonfiberplater allerede er betydelig dyre.

Denne ulempen, så vel som noen andre assosiert med materialets ledningsevne og de mange feilmodusene som er vanskelige å modellere under deldesignstadiene, betyr at CFRP-kompositter ikke kan brukes til sitt fulle potensial i mange nøkkelapplikasjoner. Et eksempel på dette ble sett da SpaceX forlot intensjonen om å bygge sitt neste flaggskip-romfartøy, Starship, av karbonfiber. Det var rett og slett for dyrt og upraktisk å bygge en autoklav som var stor nok til å bygge de ulike komponentene i romfartøyet, så de bestemte seg for å bruke rustfritt stål i stedet, som er et uortodoks valg i romfartsindustrien.

Egenskaper til CFRP-kompositter

Det er mange unike egenskaper til CFRP-kompositter som utnyttes i en rekke applikasjoner. Noen av dem er:

• Det er et veldig lett og veldig motstandsdyktig materiale. Den har et mye høyere styrke-til-vekt-forhold enn stål og til og med titan.
• De har en veldig høy elastisitets-vekt-modul, også høyere enn noe metall.
• Det er et materiale med høy motstand mot tretthet.
• Både den polymere matrisen og karbonfibrene den inneholder er kjemisk inerte, noe som gir CFRP-kompositter meget god motstand mot korrosjon.
• Dens termiske utvidelseskoeffisient er svært lav, noe som betyr at deler laget av CFRP-kompositter lider av svært lite forvrengning når de varmes opp eller avkjøles.
• De har elektrisk ledningsevne. Grafitt er en veldig god leder og karbonfibre er i hovedsak grafitt, så forbindelser som inneholder dem leder elektrisitet, spesielt i retning av fibrene. Avhengig av applikasjonen kan dette være både bra og dårlig.

I tillegg til disse egenskapene har CFRP-kompositter også noen tilleggsegenskaper som kan være ufordelaktige avhengig av den spesielle applikasjonen:

• De er følsomme for ultrafiolett (UV) lys. UV-lys er i stand til å fremme en lang rekke kjemiske reaksjoner av frie radikaler som bryter ned både de fleste polymerharpikser og karbonfibre, og ødelegger deres mekaniske egenskaper. Dette løses vanligvis med et lag maling som absorberer strålingen før den når forbindelsen.
• Generelt sett har CFRP-kompositter lav slagfasthet.
• Når det gjelder materialsvikt, når CFRP-kompositter presses til grensen for deres styrke, er feil ofte katastrofal fordi karbonfibrene er sprø. Feilmoduser inkluderer delaminering (når fiberark skilles fra hverandre) og fiberbrudd.

Egenskapene til CFRP-kompositter er anisotrope.

Det skal bemerkes at de fleste av de nevnte egenskapene til CFRP-kompositter er anisotrope, noe som betyr at de ikke er jevne gjennom hele materialet og at de avhenger av retningen de måles i. Dette er en konsekvens av at de er bygd opp av ordnede fibre som følger veldefinerte retninger. Følgelig er egenskapene til materialet langs disse retningene svært forskjellige fra egenskapene langs forskjellige retninger.

For eksempel har strekkmodulen til en CFRP-kompositt med 70 % karbonfibre i en epoksyharpiks en verdi på kun 10,3 GPa i retningen vinkelrett på fibrene, mens i aksial eller langsgående retning er samme modul verdt 181 GPa. Forskjellen i strekk- eller strekkstyrke er enda mer dramatisk, og presenterer en verdi på 40 MPa i retningen vinkelrett på fibrene mens den i lengderetningen er 1500 MPa, nesten 40 ganger høyere. Til slutt er ekspansjonskoeffisienten til denne forbindelsen 112,5 ganger lavere langs fibrene enn i vinkelrett retning.

Vanlige bruksområder for CFRP-kompositter

Til tross for at CFRP-kompositter brukes i en rekke avanserte produkter (fordi det er et mye dyrere materiale enn de fleste andre alternativer), brukes CFRP-kompositter hovedsakelig i fire bransjer:

i romfartsindustrien

Første gang disse forbindelsene ble brukt i flyproduksjon var på 1950-tallet, og bruken i industrien har bare økt. Boeings 767 og 777 ruteflymodeller inneholder henholdsvis 3 % og 7 % CFRP-forbindelser. I disse tilfellene ble de brukt i noen strukturelle komponenter. På den annen side, når det gjelder den nye Boeing 787 Dreamliner-modellen, er hele flykroppen og vingene laget av karbonfiber og dette materialet representerer 50 % av vekten og 80 % av volumet til nevnte fly; denne trenden observeres også hos andre flyprodusenter.

På den annen side, til tross for at SpaceX forlot karbonfiber for sitt Starship, har et annet privat luftfartsselskap kalt Rocket Lab nettopp annonsert konstruksjonen av sin nye rakett, Neutron, som vil være en gjenbrukbar rakett laget utelukkende av karbonfiber.

I bilindustrien

I årevis har verdens raskeste racerbiler blitt bygget med karbonfiber. Dette er ikke bare en del av eksteriøret, som er hovedmaterialet som danner karosseriet og vingene som holder bilene limt til bakken mens de akselererer, men også i chassiset. Faktisk består mellom 60 % og 70 % av den strukturelle vekten til en McLaren Formel 1-bil av karbonfiber (dette teller ikke motor, hjul og girkasse).

Når det gjelder biler til privat bruk, er det bare de høyeste bilene, som luksussportsbiler, som bruker karbonfiber i en del av karosseriet eller strukturen.

Sjøfartsindustri

Både deres lave vekt og høye korrosjonsmotstand gjør CFRP-kompositter ideelle for bygging av lette båter og superhastighetsbåter. Men i dag brukes de mer og mer i bygging av større fartøyer, inkludert yachter og skip for profesjonelt bruk.

I tillegg til den kjemiske motstanden som krever mindre vedlikehold, er vektbesparelser en av hovedårsakene til at dette materialet trenger inn i denne industrien, og erstatter andre alternativer som aluminium, stål og til og med andre polymere forbindelser som glassfiber.

I svært konkurranseidretter

En av de vanligste og mest synlige bruksområdene for karbonfiber i sport er konstruksjonen av rammene til sykler med høy ytelse. Uansett hvilken gren av sykling det er, om det er terrengsykling, downhill eller landeveissykler for Tour de France, er de beste syklene nesten utelukkende laget av karbonfiber.

På den annen side er karbonfiber også allestedsnærværende i tynne strukturelle elementer som må være svært motstandsdyktige, for eksempel high-end golfkøller, konkurranse fiskestenger, tennisracketer og til og med bordtennisracketer eller bordtennis.

Referanser

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

Barta, C. (2018, 15. oktober). Karbonfiber: informasjon, struktur og egenskaper . CarboSystem. https://carbosystem.com/fibra-de-carbono-2/

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

Giurgiutiu, V. (2016, 1. januar). Strukturell helseovervåking av flykompositter . Science Direct. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B9780124096059000015

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

Gomez, JL (2021, 23. september). Hva er karbonfiber, det materialet som i seg selv er verdiløst og det med harpiks er verdt alt . Diariomotor.com. https://www.diariomotor.com/que-es/tecnologia/fibra-de-carbono/

Kopeliovich, D. (2012b, 3. juni). Epoxy Matrix Composite forsterket med 70 % karbonfibre [SubsTech] . SubsTech. https://www.substech.com/dokuwiki/doku.php?id=epoxy_matrix_composite_reinforced_by_70_carbon_fibers

McLaren. (2020, 5. juni). En fascinerende historie om karbonfiber . McLaren Racing. https://www.mclaren.com/racing/car/fascinating-story-carbon-fibre-1654987/

López, JC (2019, 30. juni). Karbonfiber: hva det er og hvorfor det er så attraktivt for forbrukerelektronikk som det er for luftfart eller. . . 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). Gjennomgang av den elektriske motstanden/ledningsevnen til karbonfiberforsterket polymer. Applied Sciences , 9 (11), 2390. https://www.mdpi.com/2076-3417/9/11/2390/htm