Tradycja kontra innowacja: jak wieloosiowe tkaniny z włókna węglowego odmieniają projekty konstrukcyjne?

Wieloosiowe tkaniny z włókna węglowego są powszechnie stosowane w wielu dziedzinach, takich jak lotnictwo i kosmonautyka, energetyka wiatrowa, przemysł samochodowy, transport kolejowy, sprzęt sportowy, wzmocnienia budowlane oraz urządzenia medyczne, ze względu na małą wagę, wysoką wytrzymałość i doskonałe właściwości mechaniczne we wszystkich kierunkach; są głównie używane do produkcji lekkich elementów konstrukcyjnych o wysokiej wydajności, co poprawia trwałość i efektywność pRODUKTY , a jednocześnie wraz z rozwojem technologii i rosnącym zapotrzebowaniem na ochronę środowiska jej zastosowanie zakres zastosowań nadal się poszerza.

Podstawowa koncepcja tkaniny wieloosiowej

wieloosiowe włókno węglowe odnosi się do struktury, w której włókna węglowe są ułożone warstwami w wielu kierunkach lub kierunkach osiowych w kompozytach z włókna węglowego. Taka struktura pozwala uzyskać wytrzymałość i sztywność w różnych kierunkach, co poprawia ogólną wydajność materiału kompozytowego.

wieloosiowe tkaniny z włókna węglowego to tkaniny wykonane z filamentów włókna węglowego, które są dzianiną warkową przy pomocy przędzy poliestrowej pod wielokierunkowymi kątami 0°/+45°/-45°/90°.

0/90°	±45°

Wieloosiowa tkanina z włókna węglowego ma strukturę warstwy włókien pod wieloma kątami, takimi jak 0°, ±45°, 90°, itp., a dokładne pozycjonowanie osiągane jest dzięki technologii dziania warkowego. Każda warstwa włókien ułożona jest pod określonym kątem, tworząc biomimetyczną strukturę przypominającą szkielet biologiczny. Ten wyjątkowy projekt umożliwia materiałowi zachowanie wysokiej wytrzymałości w różnych kierunkach naprężeń, eliminując wady tradycyjnych jednokierunkowych tkanin, które charakteryzują się wyraźną anizotropią.

Tkanina dziana VS. Tkanina wieloosiowa

【PLAIN】

(1) Przesadna stabilność: Ze względu na krótką odległość między punktami przetykania tkaniny plain mają one wysoki stopień stabilności, co czyni je nieodpowiednimi do stosowania w nakładkach o złożonych kształtach, ponieważ nie są tak giętkie jak niektóre inne tkaniny.

(2) Koncentracja naprężeń: Ze względu na nadmierne poskręcenie (kąt, jaki tworzą włókna podczas tkania) w przędzy, szorstkie poskręcenie powoduje koncentrację naprężeń, która może osłabić element w czasie

【TWILL】

（1）Równowaga między elastycznością a stabilnością: Tkaniny typu twill nie są tak dobre jak tkaniny plain, choć charakteryzują się dobrą elastycznością i mogą tworzyć złożone kontury.

（2）Różnica wytrzymałości: Tkaniny typu twill są mniej wytrzymałe niż tkaniny plain, co może wpłynąć na ich zastosowanie w niektórych aplikacjach wymagających dużej wytrzymałości na rozciąganie.

wielogłębicze Wyroby włókiennicze

W przeciwieństwie do tradycyjnych tkanin:

(1) Wielo-wykorzystane wytrzymałość i sztywność: Jest to znacząca poprawa w przypadku tkanin prostych, które z powodu nadmiernej stabilności nie nadają się do skomplikowanych laminacji o skrócie.

(2)Zmniejszone zakrzywienie włókien: Włócznia warp znacznie zwiększa wytrzymałość ściskania międzylaminarowego, odporność na uszkodzenia, wytrzymałość uderzeniową i właściwości kompresji po uderzeniu kompozytów, co sprzyja wytrzymałości włókna.

Obszary zastosowania tkanin wieloosiowych

wykorzystanie: podróże odchudzania F22 i Boeinga 787

W skrzydłach samolotów, ramach konstrukcyjnych oraz innych komponentach wymagane są materiały lekkie o wielokierunkowych właściwościach mechanicznych, aby wytrzymać obciążenia aerodynamiczne i naprężenia wielowymiarowe. Wieloosiowe tkaniny z włókna węglowego dzięki racjonalnemu ułożeniu włókien zapewniają większą stabilność struktury elementu oraz zwiększają wytrzymałość i sztywność

Kadłub Boeinga 787, łopaty wentylatora itp., wieloosiowa tkanina z włókna węglowego znacząco zmniejsza wagę i zwiększa odporność; tradycyjne materiały z włókna węglowego nie mogą efektywnie wytrzymać naprężeń w wielu kierunkach, co może łatwo prowadzić do pęknięć zmęczeniowych i ograniczać trwałość

【Transport kolejowy: CETROVO – nowej generacji metro z kompozytu węglowego z CSR Qingdao Sifang Rolling Stock Co.】

Lżejsza konstrukcja, bardziej efektywne zużycie energii. Waga karbonowej konstrukcji wagonu metra zmniejszona o 25%, waga ramy wózka (wieloosiowa z włókna węglowego) zmniejszona o 50%, całkowita masa pojazdu zmniejszona o około 11%, zużycie energii podczas eksploatacji zmniejszone o 7%. Każdy pociąg może rocznie zmniejszyć emisję dwutlenku węgla o około 130 ton, co odpowiada obsadzeniu lesem 101 akrów.

Niższe koszty eksploatacji i utrzymania w całym cyklu życia. Dzięki zastosowaniu lekkich materiałów z włókna węglowego oraz nowych technologii, znacznie zmniejszono zużycie kół i szyn pociągu metra z włókna węglowego, co skutkuje znacznym zmniejszeniem potrzeby konserwacji pojazdów i torowiska, a koszty utrzymania w całym cyklu życia obniżone są o 22%.

【Przemysł wojskowy: Tajna broń amerykańskiego myśliwca F22-Raptor】

Amerykański myśliwiec F-22 „Raptor” dzięki zastosowaniu różnych materiałów kompozytowych wzmocnionych włóknem węglowym, w tym wieloosiowych kompozytów dzianinowych z włókna węglowego, osiągnął stopień użycia tych materiałów na poziomie aż 35% w elementach takich jak skrzydła główne, kierownica pionowa, ster poziomy oraz powłoka kadłuba, co znacząco zmniejszyło wagę kadłuba i poprawiło manewrowość oraz odporność na zmęczenie i korozję. Waga kadłuba została znacząco zmniejszona, a jego manewrowość oraz odporność na zmęczenie i korozję zostały poprawione.

【Sektor cywilny: Rewolucja materiałowa następnej generacji】

W dziedzinie cywilnej tkaniny wieloosiowe z włókna węglowego są powszechnie stosowane w wielu branżach, takich jak budownictwo, ochrona zdrowia, transport i sprzęt sportowy, a ich produkty głęboko zakorzeniły się w życiu codziennym. W budownictwie materiał ten znalazł szerokie zastosowanie przy naprawie i wzmocnieniu istniejących konstrukcji inżynierskich dzięki swoim zaletom, takim jak wygoda montażu i niezawodność działania, co znacząco przyczyniło się do rozszerzenia jego zastosowań w branży budowlanej. W medycynie, wraz z postępem technologii medycznych i rosnącą świadomością zdrowotną, rynek stawia coraz większe wymagania dotyczące urządzeń medycznych o wysokiej wydajności, a intensywne obciążenia pracy sprzętu nakładają surowe wymagania dotyczące jego trwałości. Wykazano, że materiały z włókna węglowego charakteryzują się doskonałą obojętnością chemiczną (odporność na korozję, kwasy i zasady) oraz stabilnością wymiarową, co czyni je idealnym wyborem dla produkcji urządzeń medycznych. Środki transportu korzystają z lekkiej konstrukcji i wysokiej wytrzymałości tkanin wieloosiowych (doskonała odporność na rozciąganie i ścinanie), co znacząco zmniejsza masę własną nadwozia i obniża zużycie energii, a jednocześnie ich doskonałe właściwości mechaniczne skutecznie poprawiają bezpieczeństwo bierne pojazdu. W przemyśle artykułów sportowych kompozyty z włókna węglowego odpowiadają na potrzeby konsumentów dotyczących sprzętu o wysokiej wydajności, zapewniając jakość i trwałość produktów dzięki niewielkiej wadze, wysokiemu tłumieniu drgań, doskonałej odporności na zmęczenie i niskim odkształceniom.

Prognozy na przyszłość

Ze względu na ciągły wzrost zapotrzebowania na materiały kompozytowe, wieloosiowy materiał z włókna węglowego będzie miał coraz szersze perspektywy rozwoju w wielu dziedzinach dzięki możliwości dostosowania kąta ułożenia warstw, dużej swobodzie projektowania oraz doskonałym właściwościom mechanicznym. W przyszłości, dzięki postępom w technologii automatyzacji produkcji i nowym systemom żywic, efektywność produkcji tkanin wieloosiowych dalej wzrośnie, koszty będą dalej optymalizowane, co pomoże w promowaniu ich masowego wykorzystania w takich wysokotechnologicznych dziedzinach jak łopaty turbin wiatrowych, pojazdy elektryczne, lotnictwo i astronautyka. Jednocześnie doskonała odporność na udary oraz właściwości anty-zmęczeniowe tkaniny wieloosiowej będą odgrywały większą rolę również w zastosowaniach cywilnych, takich jak wzmocnienia konstrukcji budowlanych, sprzęt sportowy czy urządzenia medyczne, wspierając rozpowszechnianie lekkich produktów o wysokiej wydajności.