Hiilikuidun ominaisuudet
Hiilikuidun maine materiaalina on saanut mystiset mittasuhteet! Sen lisäksi, että sillä on maine parhaana ja vahvimpana, on myös tullut siistiä omistaa jotain hiilikuidusta tehtyä!
En väitä olevani asiantuntija. Tämä artikkeli yhdistää tietoa, jonka olen löytänyt hiilikuitua tutkiessani, en ole ensisijainen lähde. Yritän olla tarkka, mutta teen virheitä, tiedän, että tämä saattaa tulla yllätyksenä joillekin teistä, mutta siinä se on. Jos aiotte rakentaa maston tai muita veneilyyn liittyviä asioita, tehkää tutkimusta. Kääntykää asiantuntijan puoleen ja olkaa varovaisia. Pidä hauskaa.
Ensiksi, mikä on hiilikuitu
Hiilikuitu, ei ole yllättävää, on tehty hiilikiteistä, jotka on kohdistettu pitkälle akselille. Nämä hunajakennomaiset kiteet järjestäytyvät pitkiksi litteiksi nauhoiksi. Tämä kiteiden kohdistus tekee nauhasta vahvan pitkällä akselilla. Nämä nauhat puolestaan asettuvat kuiduiksi. Kuidun muoto on hiilikuidun valmistuksessa käytetyn materiaalin (sen esiasteen) alkuperäinen muoto. En tiedä mitään prosessia, jossa kuidut muotoillaan hiiltämisen JÄLKEEN. Valmistaja puolestaan niputtaa nämä kuidut (jotka sisältävät litteitä hiilikiteiden nauhoja) paksummiksi kuiduiksi ja ne kudotaan hiilikankaaksi, tehdään huovaksi, kierretään tai niputetaan ilman kierrettä. Tätä kutsutaan rovingiksi. Hiilikuitua tarjotaan myös pilkottuina säikeinä ja jauheena.
Kerroksen ominaisuuksien muuttamiseksi siihen lisätään joskus muita materiaaleja, kuten lasikuituja, kevlaria tai alumiinia. Hiilikuitua käytetään harvoin sellaisenaan. Pikemminkin se on upotettu matriisiin. Maston- ja veneenrakennuksessa ajattelemme yleensä epoksi- tai polyesterihartseja, mutta hiilikuitua käytetään myös lujitteena kestomuoveissa, betonissa tai keramiikassa.
Hiilikuidun valmistus
Hiilikuitua voidaan valmistaa useilla eri menetelmillä, mutta pohjimmiltaan ne kaikki alkavat valmistamalla kuituja hiilipitoisesta esiasteaineesta. Valmiissa hiilikuidussa säilyy kuidun alkuperäinen koko ja muoto, mutta sen sisäinen kemiallinen rakenne on muuttunut huomattavasti erilaisten kuumennussyklien aikana. Ensimmäiset vaiheet ovat esikuitujen, joko PAN:n (polyakryylinitriili), Pitchin tai Rayonin, hiiltäminen ja venyttäminen. Kuumennusjaksoja on useita eri lämpötiloissa ilman happea. Prosessi poistaa suurimman osan lähtöaineen muista alkuaineista (pääasiassa vetyä ja typpeä) jättäen jäljelle hiilen. Samalla hiili kiteytyy vähitellen hunajakennomaisesti. Jos et ole vielä nähnyt sitä, mene Hiilitutkimus-sivulleni ja katso video Hiilikuidun rakenne. se on upea.
Tässä Youtube-videossa näytetään hiilikuidun valmistusta, ja se on katsomisen arvoinen.
Hiilikuidun fysikaalisten ominaisuuksien tärkeimmät määrittävät tekijät ovat hiiliytymisaste (hiilipitoisuus, tavallisesti yli 92 painoprosenttia) ja kerroksellisten hiilitasojen (nauhojen) suuntaus. Kuituja valmistetaan kaupallisesti laajalla valikoimalla kiteisten ja amorfisten pitoisuuksien vaihteluita eri ominaisuuksien muokkaamiseksi tai suosimiseksi.
Riippuen lähtöaineesta ja hiiliytymisprosessista hiilikuitu muokataan lopputarkoitukseen sopivaksi. PAN eli polyakryylinitriili on yleisin muovikomposiittien lähtöaine.
Ominaisuuksien tärkeimmät vaihtelut ovat lujuus vs. jäykkyys. Käyttämällä erilaisia lämmityssyklejä kumpaakin voidaan korostaa. Tutkimusta tehdään muiden ominaisuuksien, kuten lämmön- ja sähkönjohtavuuden, muokkaamiseksi.
Kuitujen sisäisen rakenteen lisäksi sillä, miten kuidut on rivitetty valmiissa tuotteessa, on valtava vaikutus valmistettavan kappaleen ominaisuuksiin. Hiilikuitujen oikea kohdistus on välttämätöntä niiden hyötyjen maksimoimiseksi.
Carbon Fiber Properties, What’s Not to Love!!!
- Suuri lujuus/painosuhde
- Jäykkyys
- Korroosionkestävyys
- Sähkönjohtavuus
- Väsymiskestävyys
- Hyvä vetolujuus, muta hauras
- palonkestävyys/ei syttyvä
- korkea lämmönjohtavuus joissakin muodoissa
- matala lämpölaajenemiskerroin
- myrkytön
- biologisesti inertti
- X- X-Säteilyä läpäisevä
- Suhteellisen kallis
- Tarvitsee erikoiskokemusta ja -laitteita käytettäväksi.
En ole kirjoittanut yksityiskohtaisesti, mutta hiilikuitu on itsevoiteleva, sillä on myös erinomainen EMI (sähkömagneettiset häiriöt) suojaava ominaisuus
1- Hiilikuidulla on korkea lujuus/painosuhde (tunnetaan myös nimellä ominaislujuus)
Materiaalin lujuus on voima pinta-alayksikköä kohti vikaantumishetkellä jaettuna tiheydellä. Kaikilla materiaaleilla, jotka ovat vahvoja JA kevyitä, on suotuisa lujuus/painosuhde. Materiaaleilla, kuten alumiinilla, titaanilla, magnesiumilla, hiili- ja lasikuidulla sekä lujat terässeokset, on hyvä lujuus-painosuhde. Ei ole yllättävää, että Balsa-puulla on korkea lujuus-painosuhde.
Seuraavat luvut ovat vain vertailun vuoksi, ja ne vaihtelevat koostumuksen, seoksen, hämähäkkityypin, puun tiheyden jne. mukaan. Yksiköt ovat kN.m/kg.
| Spektrokuitu | 3619 | |
| Kevlar | 2514 | |
| Hiilikuitu | 2457 | |
| Lasikuitu | 1307 | |
| Hämähäkkisilkki | 1069 | |
| Hiiliepoksikomposiitti | 785 | |
| Balsa. aksiaalinen kuormitus | 521 | |
| Terässeos | 254 | |
| Alumiiniseos | 222 | |
| polypropeeni | 89 | |
| Tammi | 87 | |
| Nylon | 69 |
Huomaa, että lujuus ja jäykkyys ovat eri ominaisuuksia, lujuus on murtumiskestävyyttä, jäykkyys on taivutuksen tai venytyksen kestävyyttä.
Koska hiilikuidun kiteet suuntautuvat pitkiksi litteiksi nauhoiksi tai kapeiksi levyiksi hunajakennokiteiksi, lujuus on suurempi pituussuunnassa kulkien kuin kuidun poikki. Tästä syystä hiilikuituesineiden suunnittelijat määrittelevät, mihin suuntaan kuitu on asetettava, jotta lujuus ja jäykkyys tietyssä suunnassa olisi mahdollisimman suuri. Kuitu on kohdistettu suurimman jännityksen suuntaan.
Pan-pohjaisella esiasteena käytettävällä hiilikuidulla on suurempi lujuus kuin pike-pohjaisella hiilikuidulla, jolla on suurempi jäykkyys.
2- Hiilikuitu on erittäin jäykkä
Materiaalin jäykkyyttä tai jäykkyyttä mitataan sen Youngin moduulilla ja se mittaa sitä, kuinka paljon materiaali taipuu rasituksessa. Hiilikuituvahvisteinen muovi on yli 4 kertaa jäykempi kuin lasivahvisteinen muovi, lähes 20 kertaa jäykempi kuin mänty, 2,5 kertaa jäykempi kuin alumiini. Lisätietoa jäykkyydestä ja sen mittaamisesta sekä vertailutaulukko eri materiaaleista löytyy Young Modulus -sivultani.
Muista, että jännitys on voima, venymä on taipuma, kuten taivutus tai venytys
3- Hiilikuitu on korroosionkestävää ja kemiallisesti stabiilia.
Vaikka hiilikuidut itsessään eivät heikkene mitattavasti, epoksi on herkkä auringonvalolle ja sitä on suojattava. Myös muut matriisit (mihin tahansa hiilikuitu on upotettu) saattavat olla reaktiivisia.
Hiilikuituun voivat vaikuttaa voimakkaat hapettavat aineet.
Hiilikuidusta valmistetut komposiitit on joko valmistettava UV-säteilyä kestävällä epoksilla (harvinaista) tai peitettävä UV-säteilyä kestävällä pinnoitteella, kuten lakoilla.
4- Hiilikuitu on sähköä johtavaa
Tämä ominaisuus voi olla joko hyödyllinen tai hankala. Veneenrakennuksessa johtavuus on otettava huomioon aivan kuten alumiinin johtavuus tulee kyseeseen. Hiilikuidun johtavuus voi helpottaa galvaanista korroosiota varusteissa. Huolellinen asennus voi vähentää tätä ongelmaa.
Hiilikuitupöly voi kerääntyä myymälään ja aiheuttaa kipinöitä tai oikosulkuja sähkölaitteissa ja -laitteissa.
Hiilikuidun sähkönjohtavuuden käyttämisestä lämmön tuottamiseen joko komposiittimateriaalien nopeampaa kovettumista tai itse lämmitysominaisuuksia varten tehdään tällä hetkellä melko paljon tutkimusta. Tätä voitaisiin soveltaa talvivaatteissa tai vaatteissa, jotka on tarkoitettu vaativiin olosuhteisiin.
Tässä on tutkimusartikkeli johtavista tekstiileistä ja niiden käytöstä taisteluhaavojen havaitsemisessa. PDF-tiedosto
5- Väsymiskestävyys on hyvä
Hiilikuitukomposiittien väsymiskestävyys on hyvä. Kuitenkin kun hiilikuitu vikaantuu, se yleensä vikaantuu katastrofaalisesti ilman merkittäviä ulkoisia merkkejä, jotka ilmoittaisivat sen lähestyvästä vikaantumisesta.
Vauriot vetoväsymyksessä näkyvät jäykkyyden vähenemisenä suuremmalla määrällä rasitussyklejä, (ellei lämpötila ole korkea)
Kokeet ovat osoittaneet, että vikaantuminen on epätodennäköistä silloin, kun sykliset rasitukset osuvat yksiin kuitujen suuntauksen kanssa. Hiilikuitu on E-lasia parempi väsymis- ja staattisessa lujuudessa sekä jäykkyydessä.
Kuitujen suuntauksella JA eri kuitukerrosten suuntauksella on suuri vaikutus siihen, miten komposiitti kestää väsymistä (samoin kuin se vaikuttaa jäykkyyteen). Käytettyjen voimien tyyppi johtaa myös erityyppisiin vikaantumisiin. Veto-, puristus- tai leikkausvoimat johtavat kaikki selvästi erilaisiin vikaantumistuloksiin.
Oak Ridge National Laboratorion laatima asiakirja autokäyttöön tarkoitettujen hiilikuitukomposiittien testaamisesta. American Institute of Aeronautics and Astronautics, testi tuuliturbiinien lapoihin käytettäville materiaaleille.
6- Hiilikuidulla on hyvä vetolujuus
Vetolujuus tai murtolujuus, on maksimijännitys, jonka materiaali kestää, kun sitä venytetään tai vedetään, ennen kuin se katkeaa tai pettää. Kaulaantuminen on sitä, kun näytteen poikkileikkaus alkaa merkittävästi supistua. Jos otat muovipussikaistaleen, se venyy ja alkaa jossain vaiheessa kaventua. Tämä on kaulaantumista. Vetolujuus mitataan voimana pinta-alayksikköä kohti. Hauraat materiaalit, kuten hiilikuitu, eivät aina vioitu samalla jännitystasolla sisäisten vikojen vuoksi. Ne pettävät pienillä rasituksilla. (toisin sanoen ei ole paljon taivutusta tai venytystä ennen katastrofaalista vikaantumista) Hauraiden materiaalien Weibull-moduuli
Testauksessa otetaan näyte, jolla on kiinteä poikkileikkauspinta-ala, ja vedetään sitä vähitellen voimaa lisäten, kunnes näyte muuttaa muotoaan tai murtuu. Kuituja, kuten hiilikuituja, jotka ovat halkaisijaltaan vain 2/10 000 tuumaa, valmistetaan testausta varten sopivan muotoisiksi komposiiteiksi.
Yksiköt ovat MPa Tämä taulukko on tarkoitettu vain vertailuksi, koska muuttujia on suuri määrä.
| Hiiliteräs 1090 | 650 |
| Korkeatiheyksinen polyeteeni (HDPE) | 37 |
| Polypropeeni | 19.7-80 |
| Korkeatiheyksinen polyeteeni | 37 |
| Ruostumaton teräs AISI 302 | 860 |
| Alumiinilejeering 2014-T6 | 483 |
| Alumiiniseos 6063-T6 | 248 |
| E-lasi yksinään | 3450 |
| E-lasit | 3450 |
| E-Lasi laminaatissa | 1500 |
| Hiilikuitu yksin | 4127 |
| Hiilikuitu laminaatissa | 1600 |
| Kevlar | 2757 |
| Mäntykuitupuu (samansuuntaisesti puunjuoksun kanssa) | 40 |
Huom: Hiilikuitua ja muita kuituja ja epähomogeenisia materiaaleja testattaessa on tehtävä näytteitä, jotka ovat johdonmukaisia ja vertailukelpoisia. Tämä ei ole yksinkertainen menettely. Jos luet tutkimuksia, joissa lujuutta/jäykkyyttä verrataan, tutkijat selittävät aina, miten heidän näytteensä valmistettiin, mukaan lukien matriisityyppi, kuitujen suuntaus, kuitujen ja matriisin suhde muiden tekijöiden ohella. Tämä vaikeus selittää, miksi mittaustulokset voivat vaihdella melko paljon tutkimustulosten välillä.
7- Palonkestävyys/syttymättömyys
Tässä on artikkeli hiilikuidun kierrättämisestä polttamalla matriisi pois.
Hiilikuitu on luokiteltu palamattomaksi eikä sillä ole listattua leimahduspistettä. Jos se altistetaan korkealle kuumuudelle polttoaineen palaessa, se voi lopulta hapettua, mutta heti kun liekki ja polttoaine poistetaan, liekki ei jatku.
Koska hiilikuitua käytetään lähes aina matriisissa, kuten epoksissa, muovissa tai betonissa, matriisin sietokyky korkeita lämpötiloja kohtaan on merkittävämpi tekijä.
Valmistusprosessista ja lähtöaineesta riippuen hiilikuitu voidaan saada tuntumaan varsin pehmeältä kädessä, ja se voidaan valmistaa tai useammin integroida palontorjunnassa käytettäviin suojavaatteisiin. Nikkelipinnoitettu kuitu on esimerkki. Koska hiilikuitu on myös kemiallisesti hyvin inerttiä, sitä voidaan käyttää siellä, missä on tulipalo yhdistettynä syövyttäviin aineisiin.HIGH TEMP FELT WELDING BLANKET – BLACK, 18″ X 24″
On olemassa useita mittajärjestelmiä riippuen metrisistä tai imperialisista yksiköistä.
1 W/(m.K) = 1 W/(m.oC) = 0,85984 kcal/(hr.m.oC) = 0,5779 Btu/(ft.hr.oF)
Tämä taulukko on vain vertailun vuoksi. Yksiköt ovat W/(m.K)
| Air | .024 |
| Alumiini | 250 |
| Betoni | .4 – .7 |
| Hiiliteräs | 54 |
| Mineraalivillaeriste | .04 |
| Vaneri | .13 |
| Kvartsi | 3 |
| Pyrex-lasi | 1 |
| Mänty | .12 |
| Hiilikuituvahvisteinen epoksi | 24 |
Koska hiilikuidusta on monia variaatioita, ei lämmönjohtavuutta ole mahdollista määritellä tarkasti. Erityiset hiilikuitutyypit on suunniteltu erityisesti korkeaa tai matalaa lämmönjohtavuutta varten. Tätä ominaisuutta pyritään myös parantamaan.
Materiaalitietoyhdistyksellä on sivu aiheesta ”grafiitti” AKA Hiilikuitu
9- Alhainen lämpölaajenemiskerroin
Tämä on mitta siitä, kuinka paljon materiaali laajenee ja supistuu lämpötilan noustessa tai laskiessa.
Yksiköt ovat tuumaa/tuuma-astetta F, kuten muissakin taulukoissa yksiköillä ei ole niinkään väliä kuin vertailulla.
| Teräs | 7 | |
| Alumiini | 13 | |
| Kevlar | 3 tai alhaisempi | |
| Hiilikuitu kudottu | 2 tai vähemmän | |
| Hiilikuitu yksisuuntainen | miinus 1 – +8 | |
| Hiilikuitu | Lasikuitu | 7-8 |
| Messinki | 11 |
Hiilikuidulla voi olla laaja CTE:n alue, -1 – 8+, riippuen mitatusta suunnasta, kankaan kudoksesta, esiasteen materiaalista, Pan-pohjaisesta (korkea lujuus, korkeampi CTE) tai Pitch-pohjaisesta (korkea moduuli/jäykkyys, matalampi CTE).
Niin korkeassa mastossa eri materiaalien lämpölaajenemiskertoimien erot voivat hieman muuttaa takilajännityksiä.
Matalan lämpölaajenemiskertoimen ansiosta hiilikuitu soveltuu sovelluksiin, joissa pienet liikkeet voivat olla kriittisiä. Kaukoputki ja muut optiset koneet ovat yksi tällainen sovellus.
10-11-12 Myrkytyksetön, biologisesti inertti, röntgensäteilyä läpäisevä
Nämä ominaisuudet tekevät hiilikuidusta käyttökelpoisen lääketieteellisissä sovelluksissa. Proteesien käyttö, implantit ja jänteiden korjaus, röntgentarvikkeet kirurgiset instrumentit, ovat kaikki kehitteillä.
Vaikka ei ole myrkyllinen, hiilikuidut voivat olla melko ärsyttäviä ja pitkäaikaista suojaamatonta altistumista on rajoitettava. Matriisi, joko epoksi tai polyesteri, voi kuitenkin olla myrkyllinen ja asianmukaista varovaisuutta on noudatettava.
13- Hiilikuitu on suhteellisen kallista
Hiilikuitu on suhteellisen kallista
Vaikka se tarjoaa poikkeuksellisia etuja lujuuden, jäykkyyden ja painonpudotuksen suhteen, kustannukset ovat estävä tekijä. Ellei painoetu ole poikkeuksellisen tärkeä, kuten ilmailusovelluksissa tai kilpaurheilussa, se ei useinkaan ole lisäkustannusten arvoinen. Hiilikuidun vähäinen huoltovaatimus on lisäetu.
Viileää ja muodikasta on vaikea määritellä määrällisesti. Hiilikuidulla on aura ja maine, jonka vuoksi kuluttajat ovat valmiita maksamaan enemmän sen cachetista.
Voit tarvita sitä vähemmän verrattuna lasikuituun ja tämä voi olla säästöä.
Fibre Glast Real Carbon Fiber Fabric – 3K, 2 X 2 – Twill Weave – 1 yd Roll
Noahs toimittaa Hiilikuitu- ja lasikuitukangasta harrastajaveneenrakentajille, vaeltele heidän verkkoluettelossaan ja vertaa hintoja. (Canadian Store)
14- Hiilikuidut ovat hauraita
Kuitujen kerrokset muodostuvat vahvoista kovalenttisista sidoksista. Levymuotoiset yhteenliittymät mahdollistavat helposti halkeamien etenemisen. Kun kuidut taipuvat, ne murtuvat hyvin pienellä rasituksella. Toisin sanoen hiilikuitu ei taivu paljoa ennen pettämistä.
Hiilikuidun ja matriisin suhteen vaihtelun vaikutus
15- Hiilikuitua ei ole vielä sovitettu amatööritekniikoihin.
Hiilikuidun ominaisuuksien maksimoimiseksi on saavutettava suhteellisen korkea tekninen taso. Epätäydellisyydet ja ilmakuplat voivat vaikuttaa merkittävästi suorituskykyyn. Tyypillisesti tarvitaan autoklaaveja tai tyhjiölaitteita. Muotit ja karat ovat myös suuria kuluja.
Minkä tahansa hiilikuituisen amatöörirakentamisen onnistuminen on läheisesti sidoksissa ammattitaitoon ja huolellisuuteen.
Tässä on linkki Easy Composite Ltd:n YouTube-videoon erilaisista hiilikuitua käyttävistä tekniikoista. Heillä on useita opetusvideoita.
Tämä artikkeli on työn alla. Jatkan tietojen lisäämistä ja tekstin tarkentamista sitä mukaa, kun tutkin aihetta. Esittämäni tiedot ovat peräisin useista eri lähteistä. Olen pyrkinyt tarkistamaan ne mahdollisuuksien mukaan. Pyrin käyttämään ”luotettavia lähteitä”, kuten valmistajan tietoja, tutkimusasiakirjoja tai yliopistojen artikkeleita. Luotan myös Wikipediaan yleiskatsauksen saamiseksi.
Hyvä artikkeli Tennesseen yliopistosta hiilikuitujen tuotannosta.
Christine.
lähettäkää minulle sähköpostia, jos löydätte virheitä, korjaan ne ja me kaikki hyödymme: Christine