Tradiční vs. inovace: Jak víceosé uhlíkové textilie přetvářejí konstrukční návrhy?

Víceosé uhlíkové tkaniny jsou široce využívány v mnoha oblastech, jako je letecký a kosmický průmysl, výroba větrné energie, automobilový průmysl, železniční doprava, sportovní potřeby, posilování staveb a lékařské zařízení, díky své nízké hmotnosti, vysoké pevnosti a vynikajícím vícesměrovým mechanickým vlastnostem. Hlavně se používají k výrobě lehkých, vysokým výkonem vybavených konstrukčních dílů za účelem zlepšení trvanlivosti a účinnosti produkty a současně s rozvojem technologií a rostoucími požadavky na ochranu životního prostředí se jejich aplikace uplatnění stále rozšiřuje.

Základní pojem víceosého plátna

1. Víceosý uhlíkový vlákno odkazuje na strukturu, ve které jsou uhlíková vlákna uspořádána ve vrstvách ve více směrech nebo osách v kompozitu z uhlíkových vláken. Tato struktura umožňuje dosáhnout pevnosti a tuhosti vůči více směrům, čímž se zlepšuje celkový výkon kompozitního materiálu.

2. Víceosé tkaniny z uhlíkového vlákna jsou tkaniny vyrobené z filamentů uhlíkového vlákna, které jsou svázány vazbou po útku pomocí polyesterových přízí pod více směrovými úhly 0°/+45°/-45°/90°.

0/90°	±45°

Víceosá látka z uhlíkového vlákna využívá víceúhlovou strukturu vláknových vrstev 0°, ±45°, 90° atd. a dosahuje přesného pozicování díky technologii vazby po útku. Každá vrstva vláken je uspořádána pod určitým úhlem, čímž vzniká biomimetická struktura podobná biologické kostře. Tento jedinečný návrh umožňuje materiálu udržet vysokou pevnost v různých směrech namáhání a překonává nedostatky tradičních jednosměrových látek s výraznou anizotropií.

Tkanina VS. Víceosá tkanina

【PLAIN】

(1) Nadměrná stabilita: Kvůli krátké vzdálenosti mezi proplétacími body mají tkaniny s lícovým vazem vysokou míru stability, což je činí nevhodnými pro použití v překryvech se složitými tvary, protože nejsou tak pružné jako některé jiné tkaniny.

(2) Koncentrace napětí: Kvůli nadměrnému kroucení (úhel, který vlákna svírají při tkaní) v nosníku vzniká drsné kroucení, které může způsobit koncentraci napětí a postupně oslabit díl.

【TWILL】

（1）Rovnováha mezi pružností a stabilitou: Satinované tkaniny nejsou tak dobré jako lícové tkaniny, i když mají dobrou pružnost a dokáží tvořit složité obrysy.

（2）Rozdíl ve pevnosti: Satinované tkaniny jsou méně pevné než lícové tkaniny, což může ovlivnit jejich použití v některých aplikacích vyžadujících vysokou pevnost v tahu.

【Víceosé Textilie】

Na rozdíl od tradičních pletených textilií:

（1）Více směrová pevnost a tuhost: Jedná se o významné zlepšení oproti běžným textiliím, které nejsou vhodné pro složité laminace díky nadměrné stabilitě.

（2）Snížené zakřivení vláken: Hladké pletení výrazně zvyšuje mezivrstvovou střižnou pevnost, odolnost proti poškození, nárazovou houževnatost a vlastnosti kompozitů při tlaku po nárazu, což je výhodnější pro pevnost vláken.

Oblasti použití víceosých textilií

【Letecký a kosmický průmysl：T cestou k štíhlosti F22 a Boeingu 787

U letadel jsou u křídel, konstrukčních rámů a dalších komponentů vyžadovány materiály, které jsou zároveň lehké a mají víceosé mechanické vlastnosti, aby odolaly aerodynamickým zatížením a vícedimenzionálním napětím. Uhlíková vlákna víceosých tkanin díky rozumnému uspořádání vláken zajišťují stabilnější konstrukci dílu, zvyšují pevnost a tuhost

Trup letounu Boeing 787, lopatky ventilátoru atd., uhlíkové víceosé tkaniny výrazně snižují hmotnost a zvyšují odolnost. Tradiční uhlíkové materiály nemohou efektivně odolávat napětím ve více směrech, což může vést k únavovým trhlinám a snížení trvanlivosti

【Železniční doprava: CETROVO – nová generace metra z uhlíkových vláken od společnosti CSR Qingdao Sifang Rolling Stock Co.】

Lehčí karoserie, energeticky účinnější provoz. Těleso metra z uhlíkových vláken má o 25 % nižší hmotnost, rámy podvozků (uhlíková vlákna, víceosá konstrukce) jsou o 50 % lehčí, celková hmotnost vozidla klesla přibližně o 11 %, spotřeba energie při provozu se snížila o 7 %. Každý vlak tak ročně ušetří přibližně 130 tun oxidu uhličitého, což odpovídá výsadbě na ploše 101 akrů.

Nižší provozní a údržbové náklady po celou dobu životnosti. Díky použití lehkých materiálů z uhlíkových vláken a nových technologií je opotřebení kol a kolejnic u vlaku metra z uhlíkových vláken výrazně sníženo, což vede k menší potřebě údržby vozidla i tratě. Celkové náklady na údržbu během životnosti jsou sníženy o 22 %.

【Obranný průmysl: Tajná zbraň amerického stíhače F22-Raptor】

Stíhačka F-22 „Raptor“ používá řadu kompozitních materiálů vyztužených uhlíkovými vlákny, včetně víceosých tkanin z uhlíkových vláken, u kterých je podíl použití v křídlech, brzdném ocasu, plochém ocasu a trupu a dalších částech až 35 %, čímž se výrazně snižuje hmotnost trupu a zlepšují se vlastnosti manévrovací schopnosti, odolnosti proti únavě a korozi. Hmotnost trupu byla výrazně snížena, zlepšily se manévrovací schopnosti i odolnost proti únavě a korozi.

【Občanský sektor: Revoluce nové generace materiálů】

V civilním průmyslu jsou víceosé tkaniny z uhlíkových vláken široce využívány v mnoha odvětvích, jako je stavebnictví, zdravotnictví, doprava a sportovní vybavení, a jejich produkty jsou hluboce integrovány do každodenního života. Ve stavebnictví se materiál pro své výhody, jako je jednoduchá manipulace a spolehlivý účinek, široce uplatňuje při opravách a zesilování stávajících stavebních konstrukcí, což výrazně podpořilo rozšíření jeho použití ve stavebním průmyslu. V lékařském oboru trvalý technologický pokrok a rostoucí povědomí o zdraví vedly ke stálému růstu tržní poptávky po vysokovýkonných lékařských zařízeních, přičemž intenzivní provoz těchto zařízení klade přísné požadavky na jejich odolnost. Uhlíková vlákna prokázala vynikající chemickou inertnost (odolnost proti korozi, kyselinám a zásadám) a rozměrovou stabilitu, čímž se stala ideální volbou materiálu pro výrobu lékařských přístrojů. Dopravní prostředky profitují z lehkosti a vysoké pevnosti víceosých tkanin (vynikající odolnost proti tahu a smyku), což výrazně snižuje vlastní hmotnost vozidla a energetickou náročnost, zatímco jejich vynikající mechanické vlastnosti efektivně zvyšují pasivní bezpečnost vozidel. V průmyslu sportovního vybavení splňují kompozity z uhlíkových vláken požadavky spotřebitelů na vysoký výkon zařízení a zajišťují kvalitu a trvanlivost produktů díky své nízké hmotnosti, vysoké tlumení, vynikající odolnosti proti únavě a nízké deformaci.

Budoucí vyhlídky

S rostoucím požadavkem na použití kompozitních materiálů bude mnohosměrná tkanina z uhlíkových vláken díky přizpůsobitelnému úhlu vrstvení, vysoké návrhové volnosti a vynikajícím mechanickým vlastnostem nacházet stále širší uplatnění v mnoha oblastech. V budoucnu, s rozvojem automatizovaných výrobních technologií a nových pryskyřicových systémů, se dále zvýší výrobní efektivita mnohosměrné tkaniny, náklady budou nadále optimalizovány a podpoří tak její rozsáhlé nasazení ve vyspělých odvětvích, jako jsou lopatky větrných turbín, vozidla s novými zdroji energie, letecký a kosmický průmysl. Zároveň vynikající odolnost mnohosměrné tkaniny proti nárazům a unavenosti materiálu projeví vyšší hodnotu i v občanských aplikacích, jako je zesilování staveb, sportovní vybavení a lékařské přístroje, a pomůže tak šíření lehkých produktů s vysokým výkonem.