Что такое композиты из углеродного волокна? Структура, типы, свойства и общее использование

Композиты из углеродного волокна — это материалы, состоящие из двух компонентов, которые сами по себе ведут себя совершенно по-разному: очень тонких углеродных волокон и полимера, который удерживает их на месте. Волокна несут нагрузку. Полимер передает напряжение между волокнами и защищает их от воздействия окружающей среды. Правильно сложите эти два материала, и вы получите материал, плотность которого составляет примерно четверть плотности стали, но при этом он будет соответствовать или превосходить его по соотношению жесткости к весу.

Самая полезная вещь, которую нужно понять заранее, — это то, что композит из углеродного волокна — это не один материал. Это система. Тип волокна, длина волокна, объемная доля волокна, размер поверхности и выбор полимерной матрицы — все это влияет на конечные свойства. Измените один из них, и вы фактически получите другой материал с другой таблицей данных.

Практический вывод: выбирайте композиты из углеродного волокна, когда жесткость и масса являются ограничениями, от которых вы не можете отказаться, и примите это. ориентация волокон и объемная доля волокон влияют на результат гораздо больше, чем марка смолы . Все, что следует ниже, объясняет, почему это так и что это означает для реального проекта.

Определение композитов из углеродного волокна: волокно, матрица и интерфейс

Композит из углеродного волокна состоит из трех важных вещей: волокна, матрицы и интерфейса между ними.

Волокна производятся путем прядения прекурсора, чаще всего полиакрилонитрила, с последующим его нагреванием в ряд этапов, которые заканчиваются где-то между 1000 и 3000 градусами Цельсия. Одна нить имеет диаметр от 5 до 10 микрометров, что составляет примерно одну пятнадцатую толщины человеческого волоса. Внутри этой нити атомы углерода выровнены вдоль оси волокна. Именно от этого выравнивания и зависит прочность на растяжение.

Матрица – это полимер, который фиксирует волокна в нужном положении. Он может быть термореактивным, например, эпоксидным, винилэфирным, полиэфирным, фенольным или бисмалеимидным, или термопластичным, например, PA6, PA66, PPA, PPS, PEEK, PEI или PC. Сама матрица не несет большой нагрузки. Его задача — передавать нагрузку от волокна к волокну. Без него волокна просто скользили бы друг мимо друга и каждое из них несло бы только свою долю.

Третий элемент, интерфейс, редко появляется на странице продукта, но является причиной большинства неудач проектов. Поверхности из углеродного волокна химически инертны, поэтому производители наносят тонкий проклеивающий или связующий слой. Этот размер химически селективен к определенному семейству смол . Сочетайте размер, предназначенный для эпоксидной смолы, с полиамидной матрицей, и таблица данных может выглядеть превосходно, в то время как размеры формованной детали намного ниже ожидаемых. Когда поставщик не может сообщить вам, какой размер волокна указан, это реальный риск закупок, а не незначительная деталь.

Почему углеродное волокно обеспечивает такой большой скачок производительности

Предел прочности углеродного волокна обычно составляет от 3000 до 7000 МПа, а модуль упругости - от 200 до 600 ГПа в зависимости от марки. Волокно со стандартным модулем находится вблизи нижнего предела этого диапазона модуля - примерно 230 ГПа, тогда как высокомодульные сорта превышают 500 ГПа. Плотность составляет от 1,5 до 2,0 г/см3. Алюминий имеет плотность около 2,7 г/см3, а сталь — около 7,8 г/см3.

Именно эта комбинация является причиной того, что аэрокосмические и автоспортивные структуры на протяжении десятилетий опирались на композиты. Но успех проекта часто зависит от трех второстепенных свойств:

• Усталостное поведение. Такие металлы, как сталь и алюминий, имеют определенный предел выносливости. Композитные ламинаты ведут себя иначе, и их потеря прочности при циклических нагрузках обычно происходит гораздо более постепенно.
• Устойчивость к коррозии. Композиты из углеродного волокна не ржавеют и в большинстве сред противостоят гальванической коррозии, которая разъедает алюминиевые соединения.
• Термическая стабильность размеров. Непрерывное углеродное волокно имеет коэффициент теплового расширения, близкий к нулю, вдоль направления волокна, а ламинаты можно спроектировать так, чтобы расширение практически нивелировалось в определенных направлениях.

Есть одна загвоздка, о которой стоит сказать прямо. Композиты из углеродного волокна электропроводны, в отличие от композитов из стекловолокна. Иногда именно по этой причине их выбирают, а иногда – по причине того, что они вызывают проблемы с крепежом, электроникой и молниезащитой.

Термореактивные и термопластичные композиты из углеродного волокна

Знание того, что такое композиты из углеродного волокна, не дает ответа на действительно важный вопрос: какая матрица принадлежит вашей детали. Это первое реальное решение, которое меняет варианты обработки, стоимости и завершения срока службы.

Термореактивные матрицы

Эпоксидные, винилэфирные, полиэфирные и фенольные смолы отверждаются путем сшивания в необратимую сетку. Они обладают низкой вязкостью, отличным смачиванием волокна, высокой прочностью и отлаженной цепочкой поставок. Их также нельзя снова расплавить, что ограничивает изменение формы и усложняет переработку.

Термопластические матрицы

PA6, PA66, PPA, PPS, PEEK и PEI можно плавить, формовать и снова плавить. Они, как правило, обеспечивают лучшую ударную вязкость и ударопрочность при комнатной температуре, более быстрое время цикла литья под давлением и компрессионного формования, а также настоящий путь переработки посредством повторного плавления и повторного гранулирования.

Торговля прямая. Реактопласты дают вам более широкий диапазон обработки при более низких температурах и глубокую базу поставщиков. Термопласты дают вам более быстрые циклы, лучшая устойчивость к повреждениям и материал, который можно повторно обрабатывать. , что становится все более важным для покупателей, стремящихся к концу срока службы.

Короткое волокно, длинное волокно и непрерывное волокно: переменная, определяющая результат

Длина волокна влияет на конечные свойства больше, чем любая другая переменная, а также определяет, какие производственные процессы вообще возможны.

Короткое волокно, примерно от 0,2 до 1 мм.

Смешивается в гранулы и отливается под давлением. Сложная геометрия при больших объемах проста, стоимость самая низкая из трех, а прирост жесткости ограничен, поскольку волокна разрушаются во время обработки.

Длинное волокно, примерно от 10 до 25 мм.

Поставляется в виде длинноволокнистых гранул или обрабатывается методом прямого смешивания. Ударная вязкость, сопротивление ползучести и жесткость заметно улучшаются, поэтому в кронштейнах конструкций и компонентах днища кузова часто используется этот класс.

Непрерывное волокно

Однонаправленная лента, тканое полотно и многоосные ламинаты. Здесь живут главные цифры, а также здесь концентрируются усилия по проектированию, компоновке и контролю качества. Детали из непрерывного волокна проектируются, а не просто отливаются.

Как на самом деле изготавливаются детали из композитных материалов из углеродного волокна

Выбор процесса напрямую зависит от длины волокна и объема детали. Основные маршруты коммерческого использования:

1. Литье под давлением соединений с короткими или длинными волокнами. Самый большой объем, самая низкая стоимость единицы продукции, максимальная геометрическая свобода.
2. Компрессионное формование длинноволокнистого или листового материала. Хороший баланс длины волокна и времени цикла для структурных деталей.
3. Трансферное формование смолы, при котором заготовка из сухого волокна помещается в закрытый инструмент и впрыскивается смола. Подходит для средних объемов и больших панелей.
4. Пултрузия, при которой непрерывное волокно протягивается через ванну со смолой и нагретую матрицу для получения профилей постоянного поперечного сечения.
5. Автоклавное и внеавтоклавное отверждение ламинатов препрегов, используется там, где содержание пустот должно быть сведено к минимуму.
6. Автоматизированное размещение волокон и укладка ленты, позволяющее формировать ламинат слой за слоем под контролем машины.

Для покупателя, выбирающего поставщика, полезный вопрос не в том, какой процесс лучше всего в абстрактном смысле. Это какой процесс, ваша геометрия и годовой объем, действительно могут оправдать и запускал ли поставщик его раньше.

Быстрое сравнение: углеродное волокно против стекловолокна, алюминия и стали

Прочтите внимательно эту таблицу, и коммерческая логика станет ясна. По сравнению со сталью композиты решительно выигрывают по весу. По сравнению с алюминием они выигрывают по соотношению жесткости к весу и усталости. По сравнению со стекловолокном они выигрывают по жесткости и массе, но сильно проигрывают в цене.

Термопластические матрицы и роль инженерных нейлонов

Среди термопластических матриц полиамиды являются наиболее широко используемым семейством для соединений, армированных углеродным волокном и стекловолокном. Причина в балансе: хорошие механические характеристики, хорошая химическая стойкость, приемлемые затраты и относительно низкая вязкость расплава, которая позволяет пучкам волокон правильно смачиваться во время компаундирования.

PA6 — это «рабочая лошадка» общего назначения. Его температура плавления составляет около 220 градусов по Цельсию, он сохраняет полезную прочность после поглощения влаги и сохраняет широкий диапазон обработки после армирования. Для более детального ознакомления с самим базовым полимером есть четкое объяснение что на самом деле представляет собой нейлоновый материал это охватывает химию и компромиссы между свойствами.

Улучшенные чипы PA6 Армированный PA6 представляет собой полиамид 6 (нейлон 6), модифицированный добавлением армирующих материалов, таких как стекловолокно, углеродное волокно или минеральные наполнители. Он имеет более высокую прочность, жесткость... Посмотреть продукт →

PA66 обеспечивает более высокую жесткость и лучшую термостойкость с температурой плавления около 260 градусов по Цельсию. Цена — более узкое окно обработки и большая чувствительность к поглощению влаги, что важно для прецизионных деталей.

Чипы PA66 улучшенного класса Армированный PA66 — это инженерный пластик, который улучшает характеристики полиамида 66 (PA66) за счет добавления стекловолокна или других армирующих материалов. Он имеет превосходное... Посмотреть продукт →

PPA, или полифталамид, устраняет проблему высоких температур. Точки плавления могут превышать 300 градусов по Цельсию, что позволяет деталям выдерживать бессвинцовую пайку оплавлением и сохранять прочность в средах, где PA66 неприемлемо размягчается.

Улучшенные чипы PPA Армированный ППА (армированный полифталамид) — это высокоэффективный конструкционный пластик, который повышает его механическую прочность, термостойкость и стабильность размеров... Посмотреть продукт →

Когда углеродное волокно смешивается с этими смолами, загрузка волокна обычно указывается по весу и обычно составляет от 20 до 40 процентов. Выше этого диапазона жесткость продолжает расти, но ударопрочность и текучесть быстро ухудшаются, а износ инструмента становится реальной затратой на техническое обслуживание.

Вопросы, которые стоит задать, прежде чем выбирать композит из углеродного волокна

Большинство ошибок в спецификациях возникают из-за нескольких незаданных вопросов. Вот те, которые меняют результаты:

• Указанная объемная доля волокна измерена или предполагается? Поставщики часто указывают весовую долю, а конвертация не один в один.
• Какой размер волокна? Несоответствие матрице может стоить вам двузначного процента прочности.
• Что происходит с данными о свойствах после кондиционирования влагой? Полиамидные матрицы впитывают воду, а отлитые в форму сухие фигурки выравнивают материал.
• Длина волокна указана до или после обработки? Количество в грануле и количество в готовой детали – это разные числа.
• Какова заданная ориентация волокон и действительно ли инструмент обеспечивает ее? Линии сварных швов являются классическим местом разрушения композитов, полученных литьем под давлением.

Поставщик, который может без колебаний ответить на все пять вопросов, обычно тот, кто уже видел режим отказа, который вы собираетесь создать.

Стоимость и закупки: когда вес действительно начинает стоить денег

Цены на необработанное волокно привлекают внимание, но они редко являются самой крупной статьей в составной части. Для большинства программ структура затрат выглядит примерно так:

• Волокно и смола обычно составляют значительную, но не доминирующую долю.
• Работа по переработке и укладке, которая доминирует в работе с непрерывным волокном.
• Инструменты амортизируются в течение всей программы.
• Утилизация и переделка — именно здесь композиты постепенно дорожают.
• Проверка и квалификационные испытания.

Лом заслуживает второго взгляда. Композитная деталь, которая выходит из строя при окончательном контроле, уже израсходовала волокно, смолу, рабочую силу и машинное время. Таким образом, каждый процентный пункт повышения урожайности в несколько раз снижает его стоимость. Именно по этой практической причине стабильность материала и повторяемость от партии к партии так важны: нестабильный поступающий материал проявляется в виде непредсказуемого выхода, а не в виде неудачной таблицы данных. .

Именно поэтому наличие складских запасов и непрерывность производства от образцов имеют реальный коммерческий вес. Изменение партии смолы, требующее повторной проверки процесса формования, может стоить дороже, чем вызванная этим разница в цене на материал.

Где сегодня используются композиты из углеродного волокна

Приложения группируются вокруг нескольких повторяющихся факторов: уменьшение массы, жесткость в определенном направлении, усталостная долговечность и термическая стабильность.

• Аэрокосмические конструкции, в которых ламинаты из непрерывного волокна преобладают в основных и второстепенных частях планера.
• Автомобильная промышленность: от кронштейнов и внутренних конструкций, отлитых под давлением из короткого волокна, до карданных валов из непрерывного волокна и панелей кузова.
• Спортивное оборудование, включая рамы велосипедов, клюшки для гольфа, теннисные ракетки, снаряды для гребли и защитное снаряжение.
• Промышленное оборудование, в котором низкая инерция и высокая жесткость повышают точность позиционирования по движущимся осям.
• Бытовая электроника, где тонкостенным корпусам необходима жесткость без толщины.
• Энергия ветра, где в колпаках лонжеронов лопастей используется непрерывное волокно для обеспечения жесткости по длине.
• Медицинское оборудование и оборудование для визуализации, в котором важны стабильность размеров и немагнитное поведение.

Обратите внимание, что большинство из них не являются «высокими технологиями» сами по себе. Это случаи, когда конкретные физические требования не могут быть удовлетворены с помощью металла приемлемой массы.

Переработка: могут ли композиты из углеродного волокна быть круглыми?

Ответ полностью зависит от матрицы. Термопластичные композиты можно переплавлять, повторно смешивать и повторно гранулировать, что сохраняет волокно в целости и сохранности и позволяет получить материал, который можно снова использовать в формовании. Длина волокна сокращается с каждым циклом, поэтому его свойства постепенно ухудшаются, а не разрушаются.

Термореактивные композиты нельзя переплавлять. Пути восстановления включают механическое измельчение в наполнитель, пиролиз, при котором смола выжигается и остается волокно, а также сольволиз с использованием химических агентов. Все они в некоторой степени снижают ценность волокна, и все они несут затраты, которые необходимо оправдать по сравнению с первичным волокном.

Практический вывод для спецификатора прост. Если требуется повторная обработка по окончании срока службы, решение по матрице принимается до решения по волокну , потому что именно термопластичная матрица делает возможным настоящее переплавление.

Четыре предположения о композитах из углеродного волокна, которые вызывают проблемы

1. «Больше клетчатки означает более сильную часть». Не автоматически. При содержании примерно 40 процентов по весу ухудшаются ударопрочность и текучесть, а линии сварки еще больше ослабляются.
2. «Углеродное волокно есть углеродное волокно». Стандартные, промежуточные и высокомодульные марки существенно различаются по жесткости, цене и доступности, а размеры зависят от семейства смол.
3. «Композиты не утомляются». Да, но механизм отличается от металла, и подход к проектированию тоже должен отличаться.
4. «Композитный всегда означает более легкий». Плохо ориентированный ламинат может оказаться тяжелее алюминиевой детали, которую он заменил, а также стоить дороже.

Каждый из них проявляется как переделка или редизайн, а не как материальный провал, поэтому их легко повторить.

Часто задаваемые вопросы о композитах из углеродного волокна

Является ли композит из углеродного волокна просто углеродным волокном плюс смола?

На простейшем уровне да, но интерфейс между ними определяет измеряемую производительность. Обработка поверхности и калибровка контролируют, насколько эффективно передается напряжение от полимера к волокну, и плохо подобранная пара может потерять значительную часть теоретической прочности.

Является ли композит из углеродного волокна прочнее стали?

В пересчете на вес, как правило, да, часто с большим отрывом. Не обязательно по объему. Композитный ламинат обычно имеет более низкий модуль упругости, чем сталь, поэтому деталь одинаковых размеров может прогибаться больше, даже если она весит немного меньше.

Можно ли переработать композиты из углеродного волокна?

Да, но маршрут зависит от матрицы. Термопластичные композиты, такие как PA6 или PPA, армированные углеродным волокном, можно переплавлять и повторно смешивать в пригодные для использования гранулы. Термореактивные композиты требуют механического измельчения, пиролиза или химических процессов, все из которых в некоторой степени снижают ценность волокна.

В чем разница между композитами из углеродного волокна и стекловолокна?

Углеродное волокно жестче, прочнее и легче и проводит электричество. Стекловолокно значительно дешевле, обладает электроизоляционными свойствами и обеспечивает гораздо большее удлинение перед разрывом, что может быть преимуществом в приложениях, где преобладают ударные нагрузки.

Разрушаются ли композиты из углеродного волокна со временем?

Само волокно очень стабильно. Матрица — уязвимая часть. Ультрафиолетовое воздействие разрушает многие смолы, а полиамидные матрицы впитывают влагу, что изменяет размеры и несколько смягчает материал. Оба эффекта можно контролировать с помощью правильного покрытия, пакета стабилизаторов или припуска на дизайн.

Почему ориентация волокон так важна?

Потому что композит прочен только вдоль направления волокон. Ламинат, загруженный перпендикулярно волокнам, работает гораздо хуже, чем ламинат, загруженный вдоль них. Детали, отлитые под давлением, приобретают ориентацию, вызванную течением, поэтому один и тот же материал может вести себя по-разному в двух областях одного и того же компонента.

С какой длины волокна следует начинать новый проект?

Начните с процесса производства детали, который может быть экономически оправдан, а затем выберите длину волокна. Литье под давлением позволяет получать соединения с короткими или длинными волокнами, в то время как компрессионное формование и ламинаты с непрерывным волокном подходят для структурных деталей, где целевая жесткость не может быть достигнута другим способом.