Włókno węglowe Właściwości
Reputacja włókna węglowego jako materiału nabrała mistycznych rozmiarów! Nie tylko ma reputację bycia najlepszym i najsilniejszym, ale także stało się fajne mieć coś wykonanego z włókna węglowego!
Nie twierdzę, że jestem ekspertem. Ten artykuł łączy w sobie informacje, które znalazłem w moich badaniach na temat włókna węglowego, nie jestem głównym źródłem. Staram się być dokładny, ale popełniam błędy, wiem, że może to być zaskoczeniem dla niektórych z was, ale tak jest. Jeśli planujesz zbudować maszt lub inne żeglarskie rzeczy, zrób swoje badania. Skonsultuj się z ekspertem i bądź ostrożny. Have Fun.
First, What is Carbon Fiber
Carbon Fibre, nie jest zaskakujące, jest wykonana z kryształów węgla wyrównane w długiej osi. Te kryształy w kształcie plastra miodu organizują się w długie spłaszczone wstążki. To ułożenie kryształów sprawia, że wstęga jest mocna w długiej osi. Z kolei owe wstążki układają się we włókna. Kształt włókna jest oryginalny kształt materiału (jego prekursor) używany do produkcji włókna węglowego. Nie znam żadnego procesu, w którym włókna są kształtowane po karbonizacji. Te włókna (zawierające płaskie wstążki kryształów węgla) z kolei są wiązane przez producenta w grubszych włókien i są tkane w tkaniny węglowej, wykonane z filcu, skręcone lub wiązane bez skręcania. To jest określane jako Roving. Włókno węglowe jest również oferowane jako posiekane pasma i proszek.
W celu modyfikacji właściwości lay up, inne materiały są czasami dodawane, takie jak włókna szklane, Kevlar lub aluminium. Włókno węglowe jest rzadko stosowane jako takie. Raczej jest ono osadzane w matrycy. W mast-making i budowy łodzi zazwyczaj myślimy o żywic epoksydowych lub poliestrowych, ale włókno węglowe jest również stosowany jako wzmocnienie dla tworzyw termoplastycznych, betonu lub ceramiki.
Produkcja włókien węglowych
Istnieje kilka metod wytwarzania włókien węglowych, ale zasadniczo wszystkie zaczynają się od wytwarzania włókien z bogatego w węgiel materiału prekursora. Oryginalny rozmiar i kształt włókna pozostanie w gotowym włóknie węglowym, ale wewnętrzna struktura chemiczna zostanie znacznie zmodyfikowana przez różne cykle ogrzewania. Pierwsze kroki to zwęglanie i rozciąganie włókien prekursorowych – PAN: poliakrylonitryl, pak lub Rayon. Następuje kilka cykli ogrzewania w różnych temperaturach z wyłączeniem tlenu. Proces ten powoduje usunięcie większości innych pierwiastków (głównie wodoru i azotu) z materiału wyjściowego, pozostawiając węgiel. Pozwala on również na stopniowe krystalizowanie się węgla w charakterystyczny sposób plastra miodu. Jeśli jeszcze tego nie widziałeś, przejdź do mojej strony Badania węgla i spójrz na wideo na temat struktury włókna węglowego. to jest fabulous.
Ten film Youtube pokazuje włókno węglowe jest wykonane i warto spojrzeć.
Najważniejsze czynniki określające właściwości fizyczne włókna węglowego są stopień karbonizacji (zawartość węgla, zwykle więcej niż 92% masy) i orientacji warstwowych płaszczyzn węgla (wstążki). Włókna są produkowane komercyjnie z szerokim zakresem odmian krystalicznych i amorficznych zawartości w celu modyfikacji lub faworyzowania różnych właściwości.
W zależności od materiału wyjściowego i procesu karbonizacji włókna węglowe są modyfikowane w celu dostosowania ich do celu końcowego. PAN lub poliakrylonitryl jest najczęstszym prekursorem dla kompozytów plastikowych.
Główne różnice w charakterystyce to siła vs sztywność. Stosując różne cykle grzewcze, można uwydatnić każdą z nich. Prowadzone są badania mające na celu modyfikację innych cech, takich jak przewodnictwo cieplne i elektryczne.
Nie tylko wewnętrzna struktura włókien jest ważna, ale sposób ich ułożenia w gotowych produktach ma ogromny wpływ na właściwości wytwarzanego elementu. Prawidłowe ułożenie włókien węglowych jest niezbędne, aby zmaksymalizować ich korzyści.
Właściwości włókien węglowych, czego tu nie kochać!!!
- Wysoki stosunek wytrzymałości do wagi
- Sztywność
- Odporność na korozję
- Przewodnictwo elektryczne
- Odporność na zmęczenie
- Dobra wytrzymałość na rozciąganie, ale Krucha
- Odporność na ogień/Nie palna
- Wysoka przewodność cieplna w niektórych formach
- Niski współczynnik rozszerzalności cieplnej
- Nietrująca
- Obojętna biologicznie
- X-Przepuszczalne dla promieniowania
- Stosunkowo drogie
- Wymaga specjalistycznego doświadczenia i sprzętu do stosowania.
Nie napisałem szczegółowo, ale włókno węglowe jest samosmarujące, ma również doskonałe EMI (Electromagnetic Interference) Shielding Property
1- Włókno węglowe ma wysoki stosunek wytrzymałości do wagi (znany również jako specyficzna wytrzymałość)
Wytrzymałość materiału to siła na jednostkę powierzchni przy awarii, podzielona przez jego gęstość. Każdy materiał, który jest mocny ORAZ lekki ma korzystny stosunek wytrzymałości do wagi. Materiały takie jak aluminium, tytan, magnez, włókno węglowe i szklane, stopy stali o wysokiej wytrzymałości mają dobry stosunek wytrzymałości do wagi. Nie jest zaskakujące, że drewno Balsa ma wysoki stosunek wytrzymałości do wagi.
Następujące liczby są oferowane tylko dla porównania i będą się różnić w zależności od składu, stopu, rodzaju pająka, gęstości drewna itp. Jednostkami są kN.m/kg.
.
Zauważ, że wytrzymałość i sztywność to różne właściwości, wytrzymałość to odporność na złamanie, sztywność to odporność na zginanie lub rozciąganie.
Z powodu sposobu w jaki kryształy włókna węglowego orientują się w długich płaskich wstęgach lub wąskich arkuszach kryształów o strukturze plastra miodu, wytrzymałość jest wyższa biegnąc wzdłuż niż w poprzek włókna. Dlatego projektanci obiektów z włókna węglowego określają kierunek, w którym włókno powinno być ułożone, aby zmaksymalizować wytrzymałość i sztywność w określonym kierunku. Włókno jest wyrównany z kierunkiem największego stress.
Pan oparte prekursor włókno węglowe ma wyższą wytrzymałość niż pitch oparte włókno węglowe, które ma wyższą stiffness.
2- Carbon Fiber jest bardzo Rigid
sztywność lub sztywność materiału jest mierzona przez jego Young Modulus i mierzy, jak bardzo materiał ugina się pod wpływem stresu. Tworzywo sztuczne wzmocnione włóknem węglowym jest ponad 4 razy sztywniejsze niż tworzywo sztuczne wzmocnione włóknem szklanym, prawie 20 razy sztywniejsze niż sosna, 2,5 razy sztywniejsze niż aluminium. Aby uzyskać więcej informacji na temat sztywności i jak to jest mierzone, plus tabela porównawcza różnych materiałów zobacz moją stronę Young Modulus.
Pamiętaj stres to siła, odkształcenie to ugięcie takie jak zginanie lub rozciąganie
3- Włókno węglowe jest odporne na korozję i chemicznie stabilne.
Although włókna węglowe same w sobie nie pogarszają się w sposób wymierny, epoksyd jest wrażliwy na światło słoneczne i musi być chroniony. Inne matryce (cokolwiek włókno węglowe jest osadzone w) może być również reaktywne.
Włókna węglowe mogą być dotknięte przez silne czynniki utleniające
Kompozyty wykonane z włókna węglowego muszą być albo wykonane z epoksydów odpornych na promieniowanie UV (nieczęste), lub pokryte wykończeniem odpornym na promieniowanie UV, takie jak lakiery.
4- Włókno węglowe jest elektrycznie przewodzące
Ta cecha może być przydatna lub uciążliwa. W budynku łodzi przewodnictwo musi być brane pod uwagę, tak jak przewodnictwo aluminium wchodzi w grę. Przewodność włókien węglowych może ułatwiać korozję galwaniczną w osprzęcie. Staranna instalacja może zmniejszyć ten problem.
Pył z włókna węglowego może gromadzić się w sklepie i powodować iskry lub zwarcia w urządzeniach elektrycznych i sprzętu.
Jest obecnie dość dużo R&D na wykorzystanie przewodności elektrycznej włókna węglowego do produkcji ciepła albo dla szybszego utwardzania materiałów kompozytowych, lub dla samych możliwości grzewczych. Może to mieć zastosowanie w odzieży zimowej lub odzieży przeznaczonej do trudnych środowisk.
Tutaj jest praca badawcza na Tekstylia przewodzące i ich wykorzystanie w wykrywaniu ran bojowych. Plik PDF
5- Odporność na zmęczenie jest dobra
Odporność na zmęczenie w kompozytach z włóknem węglowym jest dobra. Jednakże, gdy włókno węglowe ulega uszkodzeniu, zazwyczaj ulega katastrofalnemu zniszczeniu bez znaczących oznak zewnętrznych, które zapowiadałyby jego rychłą awarię.
Uszkodzenia w wyniku zmęczenia rozciągającego są postrzegane jako zmniejszenie sztywności przy większej liczbie cykli naprężeń, (chyba że temperatura jest wysoka)
Testy wykazały, że uszkodzenie jest mało prawdopodobne, gdy cykliczne naprężenia pokrywają się z orientacją włókien. Włókno węglowe przewyższa szkło w wytrzymałości zmęczeniowej i statycznej, jak również sztywności.
Orientacja włókien ORAZ różne orientacje warstw włókien, mają ogromny wpływ na to, jak kompozyt będzie odporny na zmęczenie (tak jak na sztywność). Rodzaj przyłożonych sił również skutkuje różnymi rodzajami uszkodzeń. Siły rozciągające, ściskające lub ścinające powodują różne rodzaje uszkodzeń.
Praca wykonana przez Oak Ridge National Laboratory, dotycząca badań kompozytów z włókna węglowego przeznaczonych do użytku samochodowego. American Institute of Aeronautics and Astronautics, test dla materiałów, które mają być stosowane w turbinach wiatrowych blades.
6- Włókno węglowe ma dobrą wytrzymałość na rozciąganie
Wytrzymałość na rozciąganie lub wytrzymałość końcowa, to maksymalne naprężenie, które materiał może wytrzymać podczas rozciągania lub ciągnięcia przed szyi, lub awarii. Szyjka jest wtedy, gdy przekrój poprzeczny próbki zaczyna się znacząco kurczyć. Jeśli weźmiemy pasek plastikowej torby, rozciągnie się on i w pewnym momencie zacznie się zwężać. To jest właśnie szyjkowanie. Wytrzymałość na rozciąganie mierzona jest w sile na jednostkę powierzchni. Materiały kruche, takie jak włókno węglowe, nie zawsze ulegają zniszczeniu przy tym samym poziomie naprężenia z powodu wad wewnętrznych. Ulegają one zniszczeniu przy małych naprężeniach. (innymi słowy nie ma dużo zginania lub rozciągania przed katastrofalnym zniszczeniem) Moduł Weibulla materiałów kruchych
Testowanie polega na pobraniu próbki o stałym obszarze przekroju poprzecznego, a następnie ciągnięciu jej stopniowo zwiększając siłę, aż próbka zmieni kształt lub pęknie. Włókna, takie jak włókna węglowe, mające średnicę zaledwie 2/10 000 cala, są wytwarzane w kompozytach o odpowiednich kształtach w celu przeprowadzenia testów.
Jednostkami są MPa Ta tabela jest oferowana tylko jako porównanie, ponieważ istnieje duża liczba zmiennych.
| Stal węglowa 1090 | 650 |
| Polietylen wysokiej gęstości (HDPE) | 37 |
| Polipropylen | 19.7-80 |
| Polietylen wysokiej gęstości | 37 |
| Stal nierdzewna AISI 302 | 860 |
| Stop aluminium 2014-.T6 | 483 |
| Stop aluminium 6063-T6 | 248 |
| E-Szkło samo | 3450 |
| E-.Szkło w laminacie | 1500 |
| Samodzielne włókno węglowe | 4127 |
| Włókno węglowe w laminacie | 1600 |
| Kevlar | 2757 |
| Drewno sosnowe (równolegle do słojów) | 40 |
UWAGA: Podczas badań włókien węglowych i innych włókien oraz materiałów niejednorodnych, należy wykonać próbki, które będą spójne i porównywalne. To nie jest prosta procedura. Jeśli czytasz badania, w których porównuje się wytrzymałość/sztywność, badacze zawsze wyjaśniają jak ich próbki zostały wyprodukowane, włączając w to rodzaj matrycy, ułożenie włókien, stosunek włókien do matrycy i inne czynniki. Ta trudność wyjaśnia, dlaczego pomiary mogą różnić się dość dużo między wynikami badań.
7- Ognioodporność/Non Flammable
Tutaj jest artykuł o recyklingu włókna węglowego przez spalanie off the matrix.
Włókno węglowe jest klasyfikowane jako niepalne i nie ma wymienionej temperatury zapłonu. Jeśli jest narażone na działanie wysokiej temperatury w obecności palącego się paliwa, może ostatecznie utlenić się, ale jak tylko płomień i paliwo zostaną usunięte, płomień nie będzie kontynuowany.
Ponieważ włókno węglowe jest prawie zawsze używane w matrycy, takiej jak epoksyd, plastik lub beton, tolerancja matrycy na wysoką temperaturę jest bardziej znaczącym czynnikiem.
Zależnie od procesu produkcyjnego i materiału prekursora, włókno węglowe może być wykonane jako dość miękkie w dotyku i może być wykonane lub częściej zintegrowane z ubraniami ochronnymi dla straży pożarnej. Przykładem jest włókno pokryte niklem. Ponieważ włókno węglowe jest również chemicznie bardzo obojętne, może być używane tam, gdzie ogień jest połączony z czynnikami korozyjnymi.HIGH TEMP FELT WELDING BLANKET – BLACK, 18″ X 24″
8- Przewodnictwo cieplne włókien węglowych
Zobacz mój artykuł na temat przewodnictwa cieplnego materiałów węglowych, w tym włókna węglowego, nanorurek i grafenu.
Przewodnictwo cieplne to ilość ciepła przekazywanego przez jednostkę grubości, w kierunku normalnym do powierzchni jednostki powierzchni, z powodu jednostkowego gradientu temperatury, w stałych warunkach. Innymi słowy, jest to miara łatwości przepływu ciepła przez materiał.
Istnieje wiele systemów miar w zależności od jednostek metrycznych lub imperialnych.
1 W/(m.K) = 1 W/(m.oC) = 0.85984 kcal/(hr.m.oC) = 0.5779 Btu/(ft.hr.oF)
Ta tabela służy jedynie do porównania. Jednostkami są W/(m.K)
| Air | .024 |
| Aluminium | 250 |
| Beton | .4 – .7 |
| Stal węglowa | 54 |
| Izolacja z wełny mineralnej | .04 |
| Sklejka | .13 |
| Kwarc | 3 |
| Szkło Pyrex | 1 |
| Sosna | .12 |
| Carbon Fiber Reinforced Epoxy | 24 |
Ponieważ istnieje wiele wariacji na temat włókna węglowego, nie jest możliwe dokładne określenie przewodności cieplnej. Specjalne rodzaje włókien węglowych zostały specjalnie zaprojektowane dla wysokiej lub niskiej przewodności cieplnej. Istnieją również wysiłki w celu zwiększenia tej cechy.
The Materials Information Society ma stronę na temat „grafitu” AKA Carbon Fiber
9- Niski współczynnik rozszerzalności cieplnej
Jest to miara tego, jak bardzo materiał rozszerza się i kurczy, gdy temperatura idzie w górę lub w dół.
Jednostki są w calach / calach stopnia F, tak jak w innych tabelach, jednostki nie są tak ważne jak porównanie.
Włókna węglowe mogą mieć szeroki zakres wartości CTE, -1 do 8+, w zależności od kierunku pomiaru, splotu tkaniny, materiału prekursora, na bazie Pan (wysoka wytrzymałość, wyższe CTE) lub na bazie Pitch (wysoki moduł/sztywność, niższe CTE).
W wystarczająco wysokim maszcie różnice we współczynnikach rozszerzalności cieplnej różnych materiałów mogą nieznacznie modyfikować naprężenia w platformie.
Niski współczynnik rozszerzalności cieplnej sprawia, że włókno węglowe nadaje się do zastosowań, w których małe ruchy mogą być krytyczne. Teleskopy i inne maszyny optyczne są jednym z takich zastosowań.
10-11-12 Nietrujące, biologicznie obojętne, przepuszczalne dla promieni rentgenowskich
Te cechy sprawiają, że włókno węglowe jest przydatne w zastosowaniach medycznych. Zastosowanie protez, implanty i naprawy ścięgien, akcesoria rentgenowskie instrumenty chirurgiczne, są w rozwoju.
Ale nie trujące, włókna węglowe mogą być dość drażniące i długotrwała ekspozycja bez ochrony musi być ograniczona. Matryca albo epoksydowa lub poliestrowa, może być jednak toksyczna i należy zachować odpowiednią ostrożność.
13- Włókno węglowe jest stosunkowo drogie
Ale oferuje wyjątkowe zalety wytrzymałości, sztywności i redukcji wagi, koszt jest czynnikiem odstraszającym. Chyba że przewaga wagi jest wyjątkowo ważne, takie jak w aeronautyce aplikacji lub wyścigów, to często nie jest warte dodatkowych kosztów. Niskie wymagania konserwacyjne z włókna węglowego jest dalszą zaletą.
Trudno jest określić chłodno i modne. Włókno węglowe ma aurę i reputację, która sprawia, że konsumenci są skłonni zapłacić więcej za kasztan posiadania go.
Możesz potrzebować mniej z niego w porównaniu do włókna szklanego i to może być oszczędność.
Fibre Glast Real Carbon Fiber Fabric – 3K, 2 X 2 – Twill Weave – 1 yd Roll
Noahs dostarcza włókna węglowego i tkaniny szklanej do amatorskich konstruktorów łodzi, wędrować w ich katalogu online i porównać ceny. (Canadian Store)
14- Włókna węglowe są kruche
Warstwy w włókna są tworzone przez silne wiązania kowalencyjne. Arkusz-jak agregacje łatwo pozwalają na propagację pęknięć. Kiedy włókna się zginają, ulegają zniszczeniu przy bardzo niskim naprężeniu. Innymi słowy, włókno węglowe nie zginać dużo przed failing.
Effect of varying włókna węglowego i stosunek matrycy
15- Carbon Fiber nie jest jeszcze przystosowany do technik amatorskich.
W celu zmaksymalizowania Carbon Fiber charakterystyki, stosunkowo wysoki poziom doskonałości technicznej muszą być osiągnięte. Niedoskonałości i pęcherzyki powietrza mogą znacząco wpłynąć na wydajność. Zazwyczaj, autoklawy, lub sprzęt próżniowy jest wymagane. Formy i trzpienie są również dużym wydatkiem.
Sukces każdej amatorskiej konstrukcji z włókna węglowego będzie ściśle związany z umiejętnościami i starannością wykonania.
Here jest link do filmu YouTube przez Easy Composite Ltd. na temat różnych technik przy użyciu włókna węglowego. Posiadają oni szereg filmów instruktażowych.
Ten artykuł jest w trakcie opracowywania. Będę nadal dodawać informacje i udoskonalać tekst, jak zbadać temat. Informacje, które przedstawiłem pochodzą z różnych źródeł. Starałem się je weryfikować, kiedy tylko mogłem. Staram się korzystać z „wiarygodnych źródeł”, takich jak dane producenta, prace badawcze lub artykuły uniwersyteckie. Polegam również na Wikipedii w celach poglądowych.
Dobry artykuł z University of Tennessee na temat produkcji włókien węglowych.
Christine.
napisz do mnie jeśli znajdziesz błędy, poprawię je i wszyscy na tym skorzystamy: Christine