Hagyomány vs. Innováció: Hogyan újraalkotják a szerkezeti tervezést a szénszálas többtengelyű anyagok?

A szénszálas többtengelyes anyagokat széles körben használják légiközlekedési, szélerőmű-ipari, autógyártási, vasúti közlekedési, sporteszközök, épületfelújítás és orvosi berendezések területén, köszönhetően alacsony súlyuknak, magas szilárdságuknak és kiváló többirányú mechanikai tulajdonságaiknak, elsősorban könnyűsúlyú, nagyteljesítményű szerkezeti elemek gyártásához, javítva ezzel a tartósságot és hatékonyságot tERMÉKEK , és ugyanakkor a technológia fejlődésével és a környezetvédelmi igények növekedésével egyre bővül az alkalmazási területe alkalmazás hatóköre továbbra is bővül.

A többtengelyes anyag alapfogalma

a szénszálas többtengelyű szerkezet olyan struktúrát jelent, amelyben a szénszálak rétegekben, több irányban vagy tengelyirányban vannak elrendezve egy szénszálas kompozitban. Ez a felépítés több irányból származó szilárdságot és merevséget biztosít, így javítja az anyag teljesítményét.

a szénszálas többtengelyű anyagok olyan szövetek, amelyek szénszálas fonalakból készülnek, és poliészter fonallal vannak hosszanti kötésben, többirányú szögeken (0°/+45°/-45°/90°) keresztül.

0/90°	±45°

A szénszálas többtengelyű anyag többszögletes szálréteg-szerkezetet alkalmaz 0°, ±45°, 90° stb. szögekkel, és a hosszanti kötés technológiáján keresztül éri el a pontos pozícionálást. Minden szálréteg meghatározott szögben van elrendezve, biológiai vázhoz hasonló biomimetikus szerkezetet alkotva. Ez az egyedi tervezés lehetővé teszi, hogy az anyag magas szilárdságot tartson fenn különböző terhelési irányokban, kiküszöbölve a hagyományos egyszálirányú anyagok nyilvánvaló anizotrópiájának hátrányait.

Szövött anyag vs. többtengelyű anyag

【Sima kötés】

(1) Túlzott stabilitás: A rövid távolság miatt a szövési pontok között a sima kötésű anyagok magas fokú stabilitással rendelkeznek, emiatt nem alkalmasak összetett profilú rétegek fedésére, mivel kevésbé hajlékonyak, mint más anyagok.

(2) Feszültségkoncentráció: A szálak szövés közbeni erős megfeszülése (a szálak által alkotott szög a szövés során) miatt az éles hajlítás feszültségkoncentrációt okozhat, ami idővel gyengítheti az alkatrészt.

【Atlaskötés】

(1) A hajlékonyság és stabilitás egyensúlya: Az atlaskötésű anyagok nem olyan stabilak, mint a sima kötésűek, bár jobb a hajlékonyságuk, így képesek összetett kontúrok kialakítására.

(2) Szilárdságkülönbség: Az atlaskötésű anyagok kevésbé szilárdak, mint a sima kötésűek, ami hatással lehet felhasználásukra olyan alkalmazásokban, ahol nagy szakítószilárdság szükséges.

【Többtengelyű Szövetek】

A hagyományos szövött szövetekkel ellentétben:

（1）Többirányú szilárdság és merevség: Ez jelentős fejlesztés a sima szövetekhez képest, amelyek túlzott stabilitásuk miatt alkalmatlanok összetett kontúrú rétegelt anyagokhoz.

（2）Csökkentett szálfeszültség: A csavart kötés jelentősen növeli a kompozitok rétegek közötti nyírószilárdságát, sérülésállóságát, ütéstoughness-ét és az ütés utáni nyomószilárdság-tulajdonságait, ami kedvezőbb a szálak szilárdsága szempontjából.

A többtengelyű szövetek alkalmazási területei

【Légi- és űrkutatás：T az F22 és a Boeing 787 „karcsúsítási” útja

A repülőgépszárnyakban, szerkezeti keretekben és egyéb alkatrészekben olyan anyagokra van szükség, amelyek könnyűsúlyúak, és több irányú mechanikai tulajdonságokkal rendelkeznek, hogy ellenálljanak az aerodinamikai terheléseknek és a többdimenziós feszültségeknek. A szénszálas többtengelyes szövetek a szál elrendezésének ésszerű tervezésével biztosítják, hogy az alkatrész szerkezete stabilabb legyen, növekvő szilárdsággal és merevséggel

A Boeing 787 törzshéján, ventillátorturbinalapátokon stb. a szénszálas többtengelyes szövet jelentősen csökkenti a súlyt, és javítja az ellenállást, mivel a hagyományos szénszálas anyagok nem hatékonyan bírják ki a több irányból ható feszültségeket, amelyek könnyen fáradási repedésekhez vezethetnek.

【Vasúti közlekedés: CSR Qingdao Sifang Gépjárműgyár CETROVO új generációs szénszálas metrókocsijai】

Könnyebb karosszéria, energiahatékonyabb üzemeltetés. A szénszálas metrófogathajtású jármű tömegcsökkentése 25%, a futómű váza (szénszálas többtengelyes) tömegcsökkentése 50%, a teljes jármű tömegcsökkentése körülbelül 11%, az üzemelés során az energiafogyasztás csökken 7%-kal, így minden vonat évente körülbelül 130 tonnával csökkenti a szén-dioxid-kibocsátást, ami 101 hold erdősítésnek felel meg.

Alacsonyabb életciklusonkénti üzemeltetési és karbantartási költségek. A szénszálas könnyűsúlyú anyagoknak és az új technológiák alkalmazásának köszönhetően a szénszálas metrókocsi kerekeinek és sínsíkjaik kopása jelentősen csökkent, ami lényegesen csökkenti a járművek és a síneket érintő karbantartási igényt, így az életciklus-szintű karbantartási költségek 22%-kal csökkentek.

【Hadszíntér: Az amerikai F22-Raptor harci repülő titkos fegyvere】

Az amerikai F-22 „Raptor” harci repülőgép különféle szénszálas kompozit anyagok, többek között szénszálas többtengelyű csavart kötésű kompozit anyagok alkalmazásával érte el, hogy a főszárny, a fékezőfarok, a lapos farok és a törzs burkolata, valamint egyéb alkatrészek esetében a kompozitanyag-tartalom aránya akár 35%-ra is emelkedett, jelentősen csökkentve ezzel a törzs tömegét, és javítva a manőverezhetőséget, valamint a fáradási és korrózióállóságot. A törzs súlya jelentősen csökkent, a manőverezhetőség, a fáradási és korrózióállóság pedig javult.

【Polgári szektor: A következő generációs anyagok forradalma】

A polgári területen a szénszálas többtengelyes anyagokat széles körben használják olyan iparágakban, mint az építőipar, az egészségügy, a közlekedés és a sportfelszerelések, termékeik mélyen beépültek a mindennapi életbe. Az építőiparban az anyagot elterjedten alkalmazzák meglévő mérnöki szerkezetek javítására és megerősítésére, könnyű szerelhetősége és megbízható hatása miatt, ami jelentősen hozzájárult felhasználásának kibővüléséhez az építőiparban. Az egészségügyi területen az orvostechnológia fejlődésével és az egészségtudatosság növekedésével folyamatosan nő a magas teljesítményű orvosi berendezések iránti piaci igény, miközben a berendezések nagy terhelés alatti működése szigorú követelményeket támaszt a tartósságukkal szemben. A szénszálas anyagok kiváló kémiai inerciát (korrózióállóság, sav- és lúgállóság) és mérettartósságot mutatnak, így ideális választásnak bizonyulnak az orvosi eszközök gyártásában. A közlekedési eszközök a többtengelyes anyagok könnyűségéből és nagy szilárdságából profitálnak (kitűnő húzó- és nyíró-állóság), ami jelentősen csökkenti a jármű saját tömegét és az energiafogyasztást, ugyanakkor kiváló mechanikai tulajdonságaik hatékonyan növelik a jármű passzív biztonságát. A sportfelszerelés-iparban a szénszálas kompozitok kielégítik a fogyasztók igényét a magas teljesítményű felszerelések iránt, és termékek minőségét és tartósságát biztosítják könnyűségükkel, magas csillapítással, kiváló fáradási ellenállással és alacsony alakváltozással.

Jövőre vonatkozó kilátások

A kompozit anyagok alkalmazásának folyamatosan növekvő igénye miatt a szénszálas többtengelyes szövet számos területen tágabb fejlődési lehetőségek elé nézhet, köszönhetően testreszabható rétegelési szögének, magas fokú tervezési szabadságának és kiváló mechanikai tulajdonságainak. A jövőben az automatizált gyártástechnológia és az új gyanta rendszerek fejlődésével a többtengelyes szövetek gyártási hatékonysága tovább növekszik majd, a költségek folyamatosan optimalizálódnak, elősegítve ezzel nagy léptékű alkalmazásukat olyan magas színvonalú területeken, mint a szélkerék lapátok, az új energiájú járművek, valamint az űrrepülés. Ugyanakkor a többtengelyes szövet kiváló ütésállósága és fáradásállósága nagyobb értéket képvisel majd a polgári alkalmazások terén is, például az épületek megerősítésében, sporteszközökben és orvosi berendezésekben, hozzájárulva a könnyűsúlyú, magas teljesítményű termékek elterjedéséhez.