Włókno węglowe krajane vs. włókno węglowe ciągłe: kluczowe różnice w wydajności

W świecie kompozytów z włókna węglowego «włókno węglowe krajane» i «ciągłe włókno węglowe» to dwa niezastąpione pojęcia. Oba pełnią rolę wzmocnienia z włókna węglowego, jednak wykazują wyraźnie różne „cechy” pod względem morfologii strukturalnej, właściwości mechanicznych, metod przetwarzania oraz zastosowanie scenariusze.
Więc jakie są kluczowe różnice w wydajności między nimi? I jak należy wybierać między nimi w praktycznych zastosowaniach? Ten artykuł pomoże Ci jasno zrozumieć te różnice already na pierwszy rzut oka.

Różne morfologie włókien

Przekrojone Włókna Węglowe
Ten proces obejmuje cięcie ciągłych włókien węglowych na krótkie odcinki długości od kilku milimetrów do kilkudziesięciu milimetrów, zazwyczaj 0,1–12 mm. Włókna te mają postać krótkich segmentów lub fragmentów, przypominających ziarna ryżu lub cylindryczne wiązki.

Ciągłym włóknem węglowym
Zachowanie pełnej długości włókien i ich uporządkowane ułożenie — jednokierunkowe, tkaninopodobne lub wieloosiowe — umożliwia precyzyjne przenoszenie obciążeń. Długość nitki może przekraczać kilka kilometrów, jest nawijana na szpule jako przędza lub wiązki nitkowe. Pojedynczy snop może zawierać aż 1 000 (1k), 3 000 (3k), 12 000 (12k) lub nawet więcej indywidualnych nitkowych włókien.

Różnice we właściwościach mechanicznych

Z punktu widzenia skuteczności wzmacniania:

Przekrojone Włókna Węglowe
(1) Ograniczona długość włókien wymaga częstego przekazywania obciążenia poprzez interfejsy
(2) Znaczne wzmocnienie wytrzymałości, ale znacznie słabsze niż w systemach z ciągłym zbrojeniem
(3) Lepiej nadaje się do „poprawy wydajności” niż do „przenoszenia obciążeń konstrukcyjnych”

Ciągłym włóknem węglowym
(1) Ciągłe włókna z nieprzerwanymi ścieżkami naprężeń
(2) W pełni wykorzystuje wysoką wytrzymałość i moduł włókien węglowych
(3) Znacznie lepsza wydajność rozciągania, zginania i odporności na zmęczenie w porównaniu z pokrojonymi włóknami węglowymi
Włókno węglowe ciągłe nadaje się do „konstrukcji nośnych”, podczas gdy pokrojone włókno węglowe działa raczej jako „wzmacniacz wydajności”.

Wariancja anizotropowa: kontrolowana vs. zrównoważona

Kompozyty z pokrojonego włókna węglowego
(1) Losowy rozkład włókien
(2) Relatywnie zrównoważone właściwości izotropowe
(3) Bardziej odpowiednie do złożonych warunków obciążenia lub środowisk obciążenia wielokierunkowego

Kompozyty z ciągłego włókna węglowego
(1) Wykazuje wyraźną anizotropię
(2) Wyjątkowa wydajność w zaprojektowanym kierunku, względnie słabsza w kierunkach niepracujących
(3) Wymaga „wzmocnienia kierunkowego” poprzez projekt warstw
Jest to również kluczowy powód powszechnego stosowania pokrojonych włókien węglowych w elementach wytwarzanych metodą wtrysku.

Różnice w metodach przetwarzania: kompromis między efektywnością a wydajnością

Przekrojone Włókna Węglowe
(1) Nadaje się do formowania wtryskowego, wytłaczania, formowania przeznakowego i innych procesów
(2) Wysoka wydajność formowania, idealna do produkcji masowej
(3) Łatwa kompatybilność z systemami żywic termoplastycznych

Ciągłym włóknem węglowym
(1) Głównie stosowane w procesach kładzenia, nawijania, pultruzji, RTM oraz prepregu
(2) Złożona produkcja wymagająca zaawansowanego sprzętu i kontroli procesu
(3) Lepszy wybór dla wysokowydajnych, niestandardowych elementów konstrukcyjnych
Jeśli priorytetem jest pojemność produkcyjna i kontrola kosztów, włókna krojone oferują większe zalety.
Jeśli dąży się do maksymalnej wydajności, włókna ciągłe są praktycznie jedynym wyborem.

Porównanie typowych scenariuszy zastosowań

Typowe zastosowania krojonych włókien węglowych
Wzmocnienie tworzyw sztucznych inżynieryjnych (PA, PP, PEEK itp.)
Funkcjonalne elementy samochodowe, obudowy elektroniczne
Lekkie ulepszenia dla przemysłowych elementów konstrukcyjnych
Powłoki i farby przewodzące
Wzmacnianie betonu i inne zastosowania

Typowe zastosowania ciągłego włókna węglowego
Elementy konstrukcyjne w przemyśle lotniczym
Główne dźwigary łopat turbin wiatrowych
Wyposażenie sportowe wysokiej klasy
Komponenty przemysłowe o wysokiej wytrzymałości obciążeniowej