Mendedahkan kelahiran produk gentian karbon, helaian gentian karbon, tiub karbon, komponen berbentuk dan cara membuatnya

Serat karbon produk , dengan ciri luar biasa mereka yang ringan dan kuat tinggi, digunakan secara meluas dalam pelbagai situasi, seperti komponen kapal terbang dalam aerospace, struktur badan dalam automobil, dan peralatan premium dalam sukan. Bagaimanakah mereka berubah daripada bahan asas kepada produk praktikal langkah demi langkah? Berikut adalah pengenalan terperinci mengenai perkara utama dalam pembuatan plat karbon, tiub karbon, dan komponen berbentuk gentian karbon.

Persediaan Bahan Mentah

Bahan mentah utama bagi produk serat karbon termasuk benang gentian karbon dan bahan matriks. Filamen gentian karbon diperbuat daripada gentian organik seperti poliakrilonitril yang dikarbonkan pada suhu tinggi. Diameter mereka hanya beberapa mikron, jauh lebih nipis daripada sehelai rambut, tetapi jauh lebih kuat daripada keluli biasa. Filamen gentian karbon ini biasanya diproses menjadi kain gentian karbon atau benang gentian karbon untuk memudahkan operasi pembentukan seterusnya.

Bahan matriks terutamanya resin epoksi dan bahan polimer lain, yang memainkan peranan penting, bukan sahaja untuk mengikat filamen gentian karbon bersama, tetapi juga untuk memindahkan tegasan, serta pada masa yang sama memberikan perlindungan kepada filamen gentian karbon, supaya terlindung daripada persekitaran luar seperti kelembapan, bahan mencengkam dan kerosakan lain. Sebelum pengeluaran, filamen gentian karbon dan bahan matriks dengan spesifikasi yang sesuai akan dipilih mengikut keperluan prestasi produk yang berbeza, dan ujian kualiti yang ketat akan dijalankan untuk memastikan kualiti bahan mentah memenuhi piawaian pengeluaran.

Lembaran karbon (acuan laminasi)

Papan karbon terutamanya dibuat menggunakan proses acuan laminasi, yang kerap digunakan untuk produk seperti papan luncur salji dan rangka raket badminton.

Pertama sekali, mengikut keperluan rekabentuk untuk memotong bahan pelekat serat karbon , prepreg telah diresapi terlebih dahulu dengan bahan dasar kain gentian karbon, ralat pemotongan perlu dikawal dalam lingkungan 0.1 mm, untuk memastikan ketepatan dimensi produk seterusnya.

Prepreg yang telah dipotong kemudian dilapiskan mengikut arah dan urutan tertentu. Susunan searah memberikan kekuatan tinggi kepada helaian karbon dalam satu arah, sesuai untuk komponen struktur yang perlu menanggung daya searah, manakala susunan silang memberikan prestasi yang baik dalam pelbagai arah, sesuai untuk komponen dengan keadaan daya yang kompleks.

Selepas itu, prepreg yang telah dilapis dimasukkan ke dalam acuan dan tekanan 5-10 MPa dikenakan supaya prepreg melekat rapat mengikut bentuk acuan, kemudian acuan dimasukkan ke dalam tangki tekanan panas atau ketuhar dan dipanaskan serta dikukuhkan pada suhu $120-180^{\circ} C$ selama 2-4 jam.

Setelah proses pemerapan selesai, plat karbon dikeluarkan dari acuan, dan proses susulan seperti penggilapan dan pemotongan dijalankan untuk memastikannya memenuhi piawaian penggunaan.

Tiub karbon (lilitan dan cetakan)

Tiub karbon kebanyakannya dibuat melalui proses lilitan dan cetakan, yang biasanya digunakan untuk produk seperti rangka dron dan kelengkapan golf.

Parameter lilitan pada mesin lilitan direka mengikut saiz dan keperluan prestasi tiub karbon, antaranya sudut lilitan merupakan salah satu parameter utama. Apabila sudut lilitan adalah $\pm 45$ darjah, rintangan kilasan tiub karbon adalah lebih baik; apabila sudut lilitan adalah 0 darjah, kekuatan paksi tiub karbon akan lebih tinggi.

Benang gentian karbon direndam sepenuhnya dengan bahan asas melalui peranti pengimpregnasian, dan setelah benang yang telah diresap dibentuk, ia digulung pada acuan dengan ketegangan 5-15 Nm, dan ketegangan ini harus dikekalkan secara seragam semasa proses penggulungan, bagi memastikan kualiti tiub karbon yang stabil.

Selepas penggulungan, tiub karbon bersama acuan dimasukkan ke dalam ketuhar pemejalan dan dipanaskan pada suhu 100-150°C selama 1-3 jam.

Pada akhir proses pemejalan, acuan dikeluarkan. Kaedah penanggalan acuan bergantung kepada bahan dan bentuknya; sesetengahnya boleh ditarik keluar secara langsung, manakala sesetengahnya perlu dilarutkan dan dibuang, dan akhirnya tiub karbon dikikir dan digilap supaya ralat dimensinya dapat dikawal dalam lingkungan 0.05 mm.

Komponen berbentuk (acuan)

Bentuk kompleks komponen gentian karbon, biasanya menggunakan proses acuan, seperti komponen automotif, peralatan perubatan, dan sebagainya, kebanyakannya menggunakan proses ini.

Pertama sekali, mengikut reka bentuk dan pembuatan acuan berpresisi tinggi berdasarkan bentuk komponen yang dibentuk, kekasaran permukaan acuan perlu dikawal di bawah Ra0.8, kerana ketepatan acuan secara langsung mempengaruhi saiz dan ketepatan bentuk komponen yang dibentuk.

Potong kain gentian karbon atau alas gentian karbon kepada saiz yang sesuai dengan bentuk acuan, sapukan bahan matriks secara sekata pada permukaannya untuk memastikan ketebalan adalah konsisten, kemudian masukkan ke dalam acuan, dan seterusnya gunakan tekanan 10-20 MPa melalui mesin penekan, supaya bahan gentian karbon melekat sepenuhnya pada rongga acuan.

Masukkan acuan ke dalam peranti pemanas, panaskan dan proses pengerasan pada suhu 130-170℃ selama 3-6 jam, proses pengerasan ini perlu mengawal suhu dan tekanan dengan ketat, untuk mengelakkan kecacatan seperti gelembung udara, retakan dan sebagainya pada komponen yang dibentuk.

Setelah penyelesaian proses pemerapan, bahagian yang dibentuk dikeluarkan dari acuan dan dirawat dengan membuang tepi-tepi berlebihan serta menggilap permukaan supaya memenuhi keperluan untuk kegunaan.

Teknologi Baru

1. Pencetakan 3D

Teknologi ini boleh secara langsung menghasilkan produk gentian karbon berbentuk kompleks, mengurangkan kitaran pembangunan produk secara besar-besaran, serta mencapai penyesuaian peribadi. Namun begitu, pada masa ini, produk gentian karbon yang dihasilkan melalui pencetakan 3D masih mempunyai jurang dari segi sifat mekanikal berbanding produk proses tradisional, dan kosnya relatif tinggi, aspek-aspek ini perlu diperbaiki lagi.

2. Teknologi RTM

Iaitu, teknologi acuan pemindahan resin, iaitu bahan pengukuhan gentian karbon dimasukkan ke dalam acuan, kemudian resin disuntik ke dalam acuan tersebut, supaya resin meresap masuk ke dalam bahan pengukuhan dan terbentuk melalui proses pemejalan. Teknologi ini mempunyai kelebihan seperti kecekapan acuan yang tinggi, kualiti produk yang stabil, pencemaran alam sekitar yang rendah, dan sebagainya. Ia sangat sesuai untuk pengeluaran besar-besaran produk gentian karbon dengan bentuk yang kompleks.

Pengujian kualiti: memastikan kualiti setiap produk

Selepas produk gentian karbon dibuat, ia mesti melalui ujian kualiti yang ketat sebelum memasuki pasaran. Item ujian utama termasuk ketepatan ukuran, kualiti rupa luaran, dan sifat mekanikal.

Pengujian ketepatan dimensi boleh menggunakan angkup, projektor dan alat lain; bagi keperluan produk yang memerlukan kepersisian tinggi, mesin CMM juga akan digunakan. Pengujian kualiti rupa luar terutamanya bertujuan memeriksa sama ada permukaan produk mempunyai gelembung, retakan, lekuk dan sebagainya, biasanya dilakukan secara gabungan pemeriksaan visual dan pemeriksaan dengan kanta pembesar. Ujian sifat mekanikal perlu dilakukan menggunakan peralatan profesional seperti mesin ujian tegangan dan mesin ujian hentaman untuk menguji kekuatan, kekakuan, kelenturan dan petunjuk lain bagi memastikan produk mampu memenuhi keperluan daya dalam penggunaan sebenar. Ujian prestasi mekanikal memerlukan penggunaan mesin ujian tegangan dan peralatan profesional lain untuk menguji petunjuk seperti kekuatan, kekakuan, kelenturan dan sebagainya bagi memastikan produk mampu memenuhi keperluan daya dalam penggunaan sebenar. Hanya produk yang lulus semua ujian yang dibenarkan memasuki pasaran.

Pengujian ketepatan dimensi boleh menggunakan angkup, projektor dan alat lain; bagi keperluan produk yang memerlukan kepersisan tinggi, mesin CMM juga akan digunakan. Pengujian kualiti rupa luar terutamanya bertujuan memeriksa sama ada permukaan produk mempunyai gelembung udara, retakan, lekuk dan sebagainya, biasanya dilakukan secara gabungan pemeriksaan visual dan pemeriksaan dengan kanta pembesar. Ujian sifat mekanikal perlu dilakukan menggunakan peralatan khusus seperti mesin ujian tegangan dan mesin ujian hentaman untuk menguji kekuatan, kekakuan, kelenturan dan petunjuk lain bagi memastikan produk dapat memenuhi keperluan daya dalam penggunaan sebenar. Ujian prestasi mekanikal memerlukan penggunaan mesin ujian tegangan dan peralatan profesional lain untuk menguji petunjuk seperti kekuatan, kekakuan, kelenturan dan sebagainya bagi memastikan produk mampu memenuhi keperluan daya dalam penggunaan sebenar. Hanya produk yang lulus semua ujian yang dibenarkan memasuki pasaran.