Тъкани от въглеродни влакна: какво представляват и защо да ги използваме

Ако някога сте се чудили защо едно парче въглеродни влакна може да изглежда различно от друго, не сте сами. Въглеродните влакна се предлагат в много различни тъкани, всяка от които служи за различна цел и не е само декоративна.

Въглеродните влакна са направени от прекурсори като полиакрилонитрил (PAN) и коприна. Прекурсорните влакна се обработват химически, нагряват и разтягат, след което се карбонизират, за да се създадат влакна с висока якост. След това тези влакна или нишки се свързват заедно, за да образуват кълчища, които се идентифицират по броя въглеродни нишки, които съдържат. Обичайните класове на теглене са 3k, 6k, 12k и 15k. „k“ означава хиляда, така че 3k теглич е направен от 3,000 въглеродни нишки. Стандартен 3k кабел обикновено е 0.125" широк, така че събира много влакна в малко пространство. 6k кабел има 6,000 въглеродни нишки, 12k има 12,{{16 }} въглеродни нишки и т. н. Много високоякостни влакна, свързани заедно, правят въглеродните влакна толкова здрав материал.

Тъкани въглеродни влакна
Въглеродните влакна обикновено идват под формата на тъкана тъкан, което улеснява работата с тях и, в зависимост от приложението, може да осигури допълнителна структурна здравина. В резултат на това тъканите от въглеродни влакна се предлагат в много различни тъкани. Най-често срещаните са плътен, кепър и панделка сатен, като ще разгледаме всеки по-подробно.

обикновена тъкан
Панелите от обикновени въглеродни влакна изглеждат симетрични, с вид на малка шахматна дъска. При това тъкане кълбовете са изтъкани в над/под модел. Късото разстояние между тъканите придава на обикновената тъкан висока степен на стабилност. Стабилността на тъканта е способността на тъканта да поддържа своя ъгъл на тъкане и ориентация на влакната. Поради това високо ниво на стабилност, обикновената тъкан е по-малко подходяща за сложни контурни подреждания, тя няма да бъде толкова гъвкава, колкото някои други тъкани. Най-общо казано, обикновената тъкан е подходяща за плоски листове, тръби и двуизмерни криви.

Един недостатък на този модел на тъкане е грубото нагъване (ъгълът, който влакната правят при тъкане, вижте по-долу) в кълчището поради късото разстояние между преплитанията. Грубите гофрове създават концентрации на напрежение, които могат да отслабят частта с течение на времето.

Тъкане на кепър
Кепърът действа като мост между обикновената тъкан и сатенената тъкан, която ще обсъдим по-нататък. Кепърът е достатъчно гъвкав, за да оформя сложни контури и е по-добър в поддържането на стабилността на тъканта от тъканта на сатен, но не е толкова добър, колкото обикновената тъкан. Ако следвате кълчища в кепър, тя преминава през определен брой кълчища и след това през същия брой кълчища. Моделът отгоре/отдолу създава вид на диагонална стрелка, известна като "диагонална линия". По-голямото разстояние между преплитанията на кабелите означава по-малко гофриране и по-малко потенциална концентрация на напрежение в сравнение с обикновената тъкан.

2×2 кепър

4×4 кепър
2×2 Twill е може би най-известната тъкан от въглеродни влакна в индустрията. Използва се в много козметични и декоративни приложения, но също така е много функционален, има както умерена форма, така и умерена стабилност. Както подсказва името на 2×2, всеки теглич ще премине през 2 тегления и след това през 2 тегления. По същия начин кепър 4×4 ще премине през 4 тегления и след това през 4 тегления. Той е малко по-формоем от 2×2 кепър, тъй като тъкането не е толкова стегнато, но е и по-малко стабилно.

Сбруя Satin Weave
Сатенената тъкан е създадена преди хиляди години за създаване на копринени тъкани, които имат отлична драпировка, като същевременно изглеждат гладки и безшевни. За композитите тази способност за драпиране означава, че може да формира и обгръща сложни контури с лекота. Поради високата способност за формоване на тази тъкан се очаква тя да има ниска стабилност. Обичайните сплитки са с четири (4HS), с пет (5HS) и с осем (8HS). Тъй като броят на тъканите на сатен се увеличава, възможността за формоване се увеличава, докато стабилността на тъканта намалява.

4HS

5HS

8HS

Числото в името на Harness Satin показва общия брой преминати тегления. За 4HS ще бъде над 3 тегления и след това под 1 теглене. За 5HS ще бъде над 4 тегления, след това под 1 теглене, а за 8HS ще бъде над 7 тегления и след това под 1 теглене.

Разпръснато теглене срещу стандартно теглене
Разпръснатите влакна могат да бъдат добър компромис между използването на еднопосочни материали и стандартни тъкани материали. Когато влакнестите кълчища се изплитат нагоре и надолу, за да образуват тъкан, силата се намалява поради гънките в кълчищата. С увеличаването на броя на нишките в стандартен кабел, да речем от 3k на 6k, кабелът става по-голям (по-дебел) и ъгълът на нагъване става по-остър. Един от начините да се избегне това е нишките да се разпръснат в по-широки ивици, известни като разпръснати кълчища, което има няколко предимства.

Разпръснатите тегличи осигуряват по-малък ъгъл на кримпване от стандартните оплетки за тегличи и могат да намалят дефектите при кръстосване чрез увеличаване на гладкостта. По-ниските ъгли на кримпване ще доведат до по-висока якост. Разпръснатите влакна също са по-лесни за работа от еднопосочните материали и все още имат доста добра защита срещу издърпване на влакна.

Разстелете обикновен кълчища

Разстелете кълчища кепър
еднопосочен
Както подсказва името, uni означава едно и всички влакна са обърнати в една и съща посока. Това осигурява някои предимства с висока якост на еднопосочните (UD) тъкани. UD тъканта не е тъкана и няма нагънати преплетени влакна, които биха отслабили структурата. Вместо това има непрекъснати влакна, които добавят здравина и твърдост. Друго предимство е възможността за персонализиране на стекапа с по-голям контрол върху характеристиките на производителността. Рамката на велосипед е чудесен пример за това как UD тъканите могат да се използват за настройка на производителността. Рамката трябва да е твърда в областта на долната конзола, за да прехвърли силата на водача към колелата, но също така трябва да е съвместима и гъвкава, за да не претоварва водача. С UD материалите можете да изберете точната ориентация на влакната, за да постигнете желаната здравина.

Основен недостатък на UD е неговата маневреност. UD се разпада лесно по време на слагане, защото няма преплетени влакна, които да го държат заедно. Ако влакната са поставени неправилно, е почти невъзможно да ги преориентирате отново правилно. Обработените части, направени от UD тъкани, също могат да причинят проблеми. Ако някакви влакна се изтеглят нагоре там, където елементът е бил срязан, тези свободни влакна ще бъдат издърпани нагоре през цялата част. Обикновено, ако за подреждане е избран UD материал, слой от тъкан материал се използва за първия и последния слой, за да се подобри обработваемостта и издръжливостта на частта. Това е, което правят рамките за дронове любители до производството на ракетни части.