A szénszálak jellemzői
A szénszálak mint anyag hírneve misztikus méreteket öltött! Nem csak a legjobb és legerősebb anyag hírében áll, de az is menő lett, ha valami szénszálból készült!
Nem állítom magamról, hogy szakértő vagyok. Ez a cikk egyesíti azokat az információkat, amelyeket a szénszálakkal kapcsolatos kutatásaim során találtam, nem vagyok elsődleges forrás. Igyekszem pontos lenni, de HIBÁKAT VESZEK, tudom, hogy ez meglepő lehet néhányuknak, de ez van. Ha árbocot vagy más hajós dolgokat tervez építeni, végezze el a kutatást. Konzultáljon egy szakértővel, és legyen óvatos. Jó szórakozást.
Először is, mi az a szénszál
A szénszál, nem meglepő módon, hosszú tengelyben igazított szénkristályokból áll. Ezek a méhsejt alakú kristályok hosszú, lapított szalagokba rendeződnek. Ez a kristályelrendezés teszi a szalagot a hosszú tengelyben erőssé. Ezek a szalagok viszont szálakba rendeződnek. A szálak alakja a szénszál előállításához használt anyag (annak prekurzora) eredeti alakja. Nem tudok olyan eljárásról, ahol a szálakat a karbonizálás UTÁN alakítják. Ezeket a szálakat (amelyek a szénkristályok lapos szalagjait tartalmazzák) viszont a gyártó vastagabb szálakba kötegeli, és szénszövetbe szövik, nemezzé készítik, csavarják vagy csavarás nélkül kötegelik. Ezt nevezik előfonatnak. A szénszálakat aprított szálak és por formájában is kínálják.
A rétegezés jellemzőinek módosítása érdekében néha más anyagokat is hozzáadnak, például üvegszálakat, kevlárt vagy alumíniumot. A szénszálat ritkán használják, mivel az. Inkább egy mátrixba ágyazzák be. Az árboc- és hajóépítésben általában epoxi- vagy poliésztergyantákra gondolunk, de a szénszálat hőre lágyuló műanyagok, beton vagy kerámia erősítésére is használják.
A szénszál előállítása
A szénszál előállításának többféle módszere van, de lényegében mindegyik a szálak szénben gazdag prekurzor anyagból történő előállításával kezdődik. A szál eredeti mérete és alakja megmarad a kész szénszálban, de a belső kémiai szerkezet a különböző melegítési ciklusok során nagymértékben módosul. Az első lépések az előanyagszálak karbonizálása és nyújtása, legyen az PAN: poliakrilnitril, szurok vagy Rayon. Az oxigén kizárásával több ciklusban, különböző hőmérsékleten történő hevítés történik. Ez a folyamat a kiindulási anyagból a legtöbb egyéb elemet (főként hidrogént és nitrogént) elűzi, így a szén megmarad. Ez lehetővé teszi azt is, hogy a szén fokozatosan kikristályosodjon a jellegzetes méhsejt alakban. Ha még nem láttad, menj fel a Carbon Research oldalamra, és nézd meg a szénszál szerkezetéről szóló videót. mesés.
Ez a Youtube videó a szénszál készítését mutatja be, érdemes megnézni.
A szénszál fizikai tulajdonságait meghatározó legfontosabb tényezők a karbonizáció foka (széntartalom, általában több mint 92 tömegszázalék) és a rétegzett szénsíkok (a szalagok) orientációja. A szálakat a kereskedelemben a kristályos és amorf tartalomváltozatok széles skálájával állítják elő a különböző tulajdonságok módosítása vagy előnyben részesítése érdekében.
A kiindulási anyagtól és a karbonizálás folyamatától függően a szénszálakat a végső célnak megfelelően módosítják. A PAN vagy poliakrilnitril a műanyag kompozitok leggyakoribb előanyaga.
A jellemzők fő variációi a szilárdság vs. merevség. Különböző fűtési ciklusok alkalmazásával bármelyik kiemelhető. Kutatások folynak más tulajdonságok, például a hő- és elektromos vezetőképesség módosítására.
Nem csak a szálak belső szerkezete fontos, hanem az is, hogy a szálak hogyan vannak felsorakoztatva a késztermékben, óriási hatással van a készülő tárgy tulajdonságaira. A szénszálak megfelelő elrendezése elengedhetetlen az előnyök maximalizálásához.
A szénszálak tulajdonságai, mit nem lehet szeretni!!!
- Nagy szilárdság/tömeg arány
- Szilárdság
- Korrózióállóság
- Elektromos vezetőképesség
- Fáradásállóság
- Jó szakítószilárdság, de Törékeny
- Tűzállóság/nem gyúlékony
- Nagy hővezető képesség egyes formákban
- alacsony hőtágulási együttható
- Nem mérgező
- Biológiailag inert
- X- X-Sugáráteresztő
- Viszonylag drága
- A használatához speciális tapasztalat és felszerelés szükséges.
Nem írtam részletesen, de a szénszál önkenő, továbbá kiváló EMI (elektromágneses interferencia) árnyékoló tulajdonsággal rendelkezik
1- A szénszálnak nagy a szilárdság/súly aránya (más néven fajlagos szilárdság)
Az anyag szilárdsága az egységnyi felületre eső erő a tönkremenetelkor, osztva a sűrűségével. Minden olyan anyag, amely erős ÉS könnyű, kedvező szilárdság/tömeg aránnyal rendelkezik. Az olyan anyagok, mint az alumínium, a titán, a magnézium, a szén- és üvegszál, a nagy szilárdságú acélötvözetek mind jó szilárdság/tömeg aránnyal rendelkeznek. Nem meglepő, hogy a balsafa is magas szilárdság/tömeg aránnyal rendelkezik.
A következő számadatok csak összehasonlításként szolgálnak, és az összetételtől, az ötvözettől, a pók típusától, a fa sűrűségétől stb. függően változnak. A mértékegységek kN.m/kg.
| Spektraszál | 3619 | |
| Kevlar | 2514 | |
| Szénszál | 2457 | |
| Süvegszál | 1307 | |
| Pókselyem | 1069 | |
| Szén-epoxi kompozit | 785 | |
| Balsa. tengelyirányú terhelés | 521 | |
| Acél ötvözet | 254 | |
| Alumínium ötvözet | 222 | |
| polipropilén | 89 | |
| Tölgyfa | 87 | |
| Nylon | 69 |
Megjegyezzük, hogy a szilárdság és a merevség különböző tulajdonságok, A szilárdság a töréssel szembeni ellenállás, a merevség a hajlítással vagy nyújtással szembeni ellenállás.
A szénszál kristályainak hosszú, lapos szalagokban vagy keskeny lapokban lévő méhsejtkristályok orientációja miatt a szilárdság nagyobb hosszirányban haladva, mint keresztben a szálon. Ezért a szénszálas tárgyak tervezői meghatározzák a szálak fektetési irányát, hogy egy adott irányban maximalizálják a szilárdságot és a merevséget. A szálak a legnagyobb feszültség irányába igazodnak.
A pán alapú prekurzor szénszálnak nagyobb a szilárdsága, mint a szurok alapú szénszálnak, amelynek nagyobb a merevsége.
2- A szénszál nagyon merev
Az anyag merevségét vagy merevségét a Young-modullal mérik, és azt méri, hogy az anyag mennyire hajlik el feszültség hatására. A szénszállal erősített műanyag több mint 4-szer merevebb, mint az üveggel erősített műanyag, majdnem 20-szor nagyobb, mint a fenyő, 2,5-szer nagyobb, mint az alumínium. A merevséggel és annak mérésével kapcsolatos további információkért, valamint a különböző anyagok összehasonlító táblázatáért lásd a Young modulus oldalamat.
Ne feledje, hogy a feszültség az erő, a nyúlás az elhajlás, például hajlítás vagy nyújtás
3- A szénszál korrózióálló és kémiailag stabil.
Noha maguk a szénszálak nem romlanak mérhetően, az epoxi érzékeny a napfényre és védelemre szorul. Más mátrixok (bármibe is van beágyazva a szénszál) szintén reaktívak lehetnek.
A szénszálakra hatással lehetnek az erős oxidálószerek
A szénszálból készült kompozitokat vagy UV-álló epoxival kell készíteni (nem gyakori), vagy UV-álló bevonattal, például lakkokkal kell ellátni.
4- A szénszál elektromosan vezető
Ez a tulajdonság lehet hasznos vagy zavaró. A csónaképítésnél a vezetőképességet ugyanúgy figyelembe kell venni, mint ahogy az alumínium vezetőképessége is szerepet játszik. A szénszál vezetőképessége megkönnyítheti a galvanikus korróziót a szerelvényekben. A gondos beépítés csökkentheti ezt a problémát.
A szénszálas por felhalmozódhat a műhelyben, és szikrákat vagy rövidzárlatokat okozhat az elektromos készülékekben és berendezésekben.
A szénszál elektromos vezetőképességének hőtermelésre való felhasználásával kapcsolatban jelenleg elég sok kutatás és fejlesztés folyik, akár a kompozit anyagok gyorsabb kikeményítése, akár maguk a fűtési képességek miatt. Ezt a téli ruházatban vagy a zord környezetbe szánt ruházatban lehetne alkalmazni.
Itt egy kutatási cikk a vezetőképes textíliákról és felhasználásukról a harci sebek felderítésében. PDF fájl
5- A fáradási ellenállás jó
A szénszálas kompozitok fáradási ellenállása jó. Amikor azonban a szénszálak meghibásodnak, általában katasztrofálisan meghibásodnak anélkül, hogy jelentős külső jelek jeleznék a közelgő meghibásodást.
A szakító fáradásban bekövetkező károsodás a merevség csökkenéseként jelentkezik a nagyobb számú feszültségciklusokkal, (kivéve, ha a hőmérséklet magas)
A vizsgálatok kimutatták, hogy a meghibásodás nem valószínű, hogy problémát jelent, ha a ciklikus feszültségek egybeesnek a szálak orientációjával. A szénszálak fáradási és statikus szilárdságban, valamint merevségben is jobbak az E üvegnél.
A szálak orientációja ÉS a különböző szálrétegek orientációja, nagymértékben befolyásolja, hogy egy kompozit hogyan fog ellenállni a fáradásnak (ahogyan a merevségre is). Az alkalmazott erők típusa is különböző típusú meghibásodásokat eredményez. A húzó-, nyomó- vagy nyíróerők mind jelentősen eltérő tönkremeneteli eredményeket eredményeznek.
Az Oak Ridge Nemzeti Laboratórium tanulmánya az autóipari felhasználásra szánt szénszálas kompozitok vizsgálatáról. American Institute of Aeronautics and Astronautics, a szélturbinák lapátjaiban felhasználandó anyagok vizsgálata.
6- A szénszál jó szakítószilárdsággal rendelkezik
A szakítószilárdság vagy szakítószilárdság az a maximális feszültség, amelyet egy anyag nyújtás vagy húzás közben elvisel, mielőtt nyakra szakadna vagy tönkremenne. A nyákosodás az, amikor a minta keresztmetszete jelentősen elkezd összehúzódni. Ha veszünk egy csík műanyag zacskót, az megnyúlik, és egy ponton elkezd keskenyedni. Ez a nyákosodás. A szakítószilárdságot az egységnyi területre jutó erőben mérik. A rideg anyagok, mint például a szénszálak, nem mindig azonos feszültségszintnél hibásodnak meg a belső hibák miatt. Kis terheléseknél meghibásodnak. (más szóval nincs sok hajlítás vagy nyúlás a katasztrofális tönkremenetel előtt) A rideg anyagok Weibull-modulusa
A vizsgálat során egy meghatározott keresztmetszetű mintát veszünk, majd fokozatosan növelve az erőt addig húzzuk, amíg a minta meg nem változtatja alakját vagy el nem törik. A szálak, mint például a szénszálak, amelyek átmérője mindössze 2/10 000 hüvelyk, a vizsgálathoz megfelelő alakú kompozitokat készítenek.
A mértékegységek MPa Ez a táblázat csak összehasonlításként szolgál, mivel nagyon sok változó van.
| Szénacél 1090 | 650 |
| Nagy sűrűségű polietilén (HDPE) | 37 |
| Polipropilén | 19.7-80 |
| Nagy sűrűségű polietilén | 37 |
| Rezsdamentes acél AISI 302 | 860 |
| Alumínium ötvözet 2014-.T6 | 483 |
| Alumíniumötvözet 6063-T6 | 248 |
| E-üveg egyedül | 3450 |
| E- üvegÜveg laminátumban | 1500 |
| Szénszál egyedül | 4127 |
| Szénszál laminátumban | 1600 |
| Kevlar | 2757 |
| Fenyőfa (a szálakkal párhuzamosan) | 40 |
MEGJEGYZÉS: A szénszálak, valamint más szálak és nem homogén anyagok vizsgálatakor sok olyan mintát kell készíteni, amelyek konzisztensek és összehasonlíthatóak. Ez nem egyszerű eljárás. Ha olyan kutatásokat olvasol, ahol a szilárdságot/merevséget hasonlítják össze, a kutatók mindig elmagyarázzák, hogyan készültek a mintáik, beleértve a mátrix típusát, a szálak igazítását, a szálak és a mátrix arányát, egyéb tényezők mellett. Ez a nehézség megmagyarázza, hogy a mérések miért térhetnek el eléggé a kutatási eredmények között.
7- Tűzállóság/nem gyúlékony
Itt egy cikk a szénszálak újrahasznosításáról a mátrix kiégetésével.
A szénszálak nem gyúlékony anyagnak minősülnek, és nincs feltüntetett lobbanáspontjuk. Ha magas hőnek van kitéve égő üzemanyag jelenlétében, végül oxidálódhat, de amint a lángot és az üzemanyagot eltávolítják, a láng nem folytatódik.
Mivel a szénszálat szinte mindig olyan mátrixban használják, mint az epoxi, műanyag vagy beton, a mátrix magas hőmérséklettel szembeni tűrőképessége a jelentősebb tényező.
A gyártási eljárástól és az előanyagtól függően a szénszálak egészen puha tapintásúvá tehetőek a kézben, és tűzoltási célú védőruházatba készíthetők vagy gyakrabban beépíthetők. A nikkelbevonatú szál egy példa erre. Mivel a szénszál kémiailag is nagyon inert, ott is használható, ahol a tűz maró anyagokkal kombinálva van.HIGH TEMP FELT WELDING BLANKET – BLACK, 18″ X 24″
8- A szénszálak hővezető képessége
Lásd a Szénalapú anyagok, köztük a szénszálak, nanocsövek és a grafén hővezető képessége című cikkemet.
A hővezető képesség az egységnyi vastagságon keresztül, egy egységnyi felületre merőleges irányban, egységnyi hőmérséklet-gradiens miatt, egyenletes körülmények között átadott hő mennyisége. Más szóval annak mérőszáma, hogy a hő milyen könnyen áramlik át egy anyagon.
A metrikus vagy birodalmi mértékegységektől függően többféle mértékrendszer létezik.
1 W/(m.K) = 1 W/(m.oC) = 0,85984 kcal/(hr.m.oC) = 0,5779 Btu/(ft.hr.oF)
Ez a táblázat csak összehasonlításra szolgál. Az egységek W/(m.K)
| Air | .024 |
| Alumínium | 250 |
| Beton | .4 – .7 |
| Szénacél | 54 |
| Ásványgyapot szigetelés | .04 |
| Rétegelt lemez | .13 |
| Kvarc | 3 |
| Pyrex üveg | 1 |
| Fenyő | .12 |
| Szénszállal erősített epoxi | 24 |
Mert a szénszálaknak sokféle változata van, nem lehet pontosan meghatározni a hővezető képességet. A szénszálak speciális típusait kifejezetten magas vagy alacsony hővezető képességre tervezték. Vannak olyan törekvések is, amelyek ennek a tulajdonságnak a fokozására irányulnak.
A Materials Information Society-nek van egy oldala a “graphite” AKA Carbon Fiber
9- Low Coefficient of Thermal Expansion
Ez a mértékegysége annak, hogy egy anyag mennyit tágul vagy húzódik össze, amikor a hőmérséklet emelkedik vagy csökken.
Az egységek Inch / inch degree F-ben vannak, mint más táblázatokban, az egységek nem annyira fontosak, mint az összehasonlítás.
| Acél | 7 | |
| Alumínium | 13 | |
| Kevlar | 3 vagy alacsonyabb | |
| Szénszál szőtt | 2 vagy kevesebb | |
| Szénszál egyirányú | mínusz 1-től +8-ig | |
| Szénszál | 7- üvegszál | -8 |
| Réz | 11 |
A szénszálaknak széles CTE-tartománya lehet, -1-től 8+-ig, a mért iránytól, a szövetszövéstől, a prekurzor anyagtól függően, Pan alapú (nagy szilárdság, magasabb CTE) vagy Pitch alapú (magas modulus/merevség, alacsonyabb CTE).
Egy elég magas árbocban a különböző anyagok hőtágulási együtthatóinak különbségei kissé módosíthatják a rigfeszültségeket.
Az alacsony hőtágulási együttható alkalmassá teszi a szénszálakat olyan alkalmazásokhoz, ahol a kis mozgások kritikusak lehetnek. A távcső és más optikai gépek az egyik ilyen alkalmazás.
10-11-12 Nem mérgező, biológiailag inert, röntgensugarakat áteresztő
Ezek a tulajdonságok teszik a szénszálat hasznossá az orvosi alkalmazásokban. A protézisek felhasználása, implantátumok és ínjavítás, röntgen tartozékok sebészeti eszközök, mind fejlesztés alatt állnak.
Noha nem mérgező, a szénszálak meglehetősen irritálóak lehetnek, és a hosszú távú védtelen expozíciót korlátozni kell. A mátrix, akár epoxi, akár poliészter, azonban mérgező lehet, és megfelelő óvatosságra van szükség.
13- A szénszál viszonylag drága
Bár a szilárdság, a merevség és a súlycsökkentés kivételes előnyeit kínálja, a költségek visszatartó erőt jelentenek. Hacsak a súlyelőny nem kivételesen fontos, mint például a repüléstechnikai alkalmazásokban vagy a versenyzésben, gyakran nem éri meg a többletköltséget. A szénszálak alacsony karbantartási igénye további előnyt jelent.
Nehéz számszerűsíteni, hogy menő és divatos. A szénszálnak olyan aurája és hírneve van, ami miatt a fogyasztók hajlandóak többet fizetni a cachetért.
Az üvegszálas anyaghoz képest kevesebbre lehet szüksége, és ez megtakarítást jelenthet.
Fibre Glast Real Carbon Fiber Fabric – 3K, 2 X 2 – Twill Weave – 1 yd Roll
Noahs szállít Carbon Fiber és Glass szövetet amatőr hajóépítőknek, vándoroljon online katalógusukban és hasonlítsa össze az árakat. (Kanadai áruház)
14- A szénszálak törékenyek
A szálak rétegeit erős kovalens kötések alkotják. A lemezszerű halmazok könnyen lehetővé teszik a repedések terjedését. Amikor a szálak meghajlanak, már nagyon kis alakváltozásnál meghibásodnak. Más szóval a szénszál nem nagyon hajlik meg, mielőtt meghibásodik.
A szénszál és a mátrix arányának változtatásának hatása
15- A szénszálak még nem igazodnak az amatőr technikákhoz.
A szénszálak tulajdonságainak maximalizálásához viszonylag magas technikai színvonalat kell elérni. A tökéletlenségek és a légbuborékok jelentősen befolyásolhatják a teljesítményt. Általában autoklávra, vagy vákuumberendezésre van szükség. Az öntőformák és a tüskék szintén jelentős kiadásokat jelentenek.
Az amatőr szénszálas konstrukciók sikere szorosan összefügg a szakértelemmel és a gondossággal.
Itt egy link az Easy Composite Ltd. YouTube videójához, amely a szénszál felhasználásának különböző technikáiról szól. Számos oktatóvideójuk van.
Ez a cikk egy folyamatban lévő munka. Folytatni fogom az információk hozzáadását és a szöveg finomítását, ahogy felfedezem a témát. Az általam bemutatott információk különböző forrásokból származnak. Igyekeztem ellenőrizni őket, amikor csak tudtam. Igyekszem olyan “megbízható forrásokat” használni, mint a gyártó adatai, kutatási dokumentumok vagy egyetemi cikkek. A Wikipédiára is támaszkodom az áttekintéshez.
Jó cikk a Tennessee Egyetemről a szénszálgyártásról.
Christine.
Emailezz nekem, ha hibákat találsz, kijavítom őket, és mindannyian jól járunk: Christine