Традиция против инноваций: как многоосные ткани из углеродного волокна переосмысливают конструкционные решения?

Многоосевые ткани из углеродного волокна широко используются во многих областях, таких как аэрокосмическая промышленность, ветроэнергетика, автомобилестроение, железнодорожные перевозки, спортивные товары, укрепление зданий и медицинское оборудование, благодаря их лёгкому весу, высокой прочности и отличным многонаправленным механическим свойствам; в основном применяются для изготовления лёгких и высокопрочных конструкционных элементов с целью повышения долговечности и эффективности продукты , и в то же время с развитием технологий и ростом потребностей в экологической защите, его применение область применения продолжает расширяться.

Основная концепция многоосевой ткани

1. Многоосный углеволоконный материал — это структура, в которой углеволокна расположены слоями в нескольких направлениях или по осям в композитном материале на основе углеволокна. Такая структура позволяет обеспечить прочность и жесткость в различных направлениях, тем самым повышая общие эксплуатационные характеристики композитного материала.

2. Многоосные ткани из углеволокна — это ткани, изготовленные из углеродных нитей, соединённых основовыми переплетениями полиэфирными нитями под многонаправленными углами 0°/+45°/-45°/90°.

0/90°	±45°

Многоосная углеволоконная ткань использует многослойную структуру волокон под углами 0°, ±45°, 90° и другими, а точное позиционирование слоёв достигается с помощью технологии трикотажного переплетения по утку. Каждый слой волокон расположен под определённым углом, образуя биомиметическую структуру, напоминающую скелет живого организма. Такая уникальная конструкция позволяет материалу сохранять высокую прочность при нагрузках в разных направлениях, устраняя недостатки традиционных однонаправленных тканей, обладающих выраженной анизотропией.

Тканая ткань против многоосной ткани

【ПЛАИН】

(1) Избыточная стабильность: Из-за короткого расстояния между точками переплетения ткани с полотняным переплетением обладают высокой степенью стабильности, что делает их непригодными для использования в накладках со сложными профилями, поскольку они менее гибкие по сравнению с некоторыми другими тканями.

(2) Концентрация напряжений: Из-за чрезмерного изгиба (угла, образованного волокнами при их переплетении) в жгуте резкий изгиб создает концентрацию напряжений, которая может ослабить деталь со временем.

【САРАЖА】

(1) Баланс гибкости и стабильности: Ткани саржевого переплетения не так хороши, как ткани с полотняным переплетением, хотя они обладают хорошей гибкостью и могут формировать сложные контуры.

(2) Разница в прочности: Ткани саржевого переплетения менее прочны, чем ткани с полотняным переплетением, что может повлиять на их применение в некоторых областях, где требуется высокая прочность на растяжение.

【Многоосевое Ткани】

В отличие от традиционных тканых материалов:

（1）Многонаправленная прочность и жесткость: Это значительное улучшение по сравнению с обычными тканями, которые непригодны для сложных контурных ламинированных структур из-за чрезмерной устойчивости.

（2）Сниженный изгиб волокон: Полотняное переплетение значительно повышает межслойную прочность на сдвиг, устойчивость к повреждениям, ударную вязкость и свойства сопротивления сжатию после удара у композитов, что более благоприятно для прочности волокон.

Области применения многоосевых тканей

【Авиакосмическая: T путь похудения F22 и Boeing 787

В авиационных крыльях, несущих конструкциях и других компонентах материалы должны быть одновременно лёгкими и обладать многонаправленными механическими свойствами, чтобы выдерживать аэродинамические нагрузки и многомерные напряжения. Многоосные ткани из углеродного волокна благодаря рациональному проектированию укладки волокон обеспечивают более стабильную конструкцию деталей, повышают прочность и жёсткость

Фюзеляж обшивки Boeing 787, лопасти вентилятора и др., многоосная ткань из углеродного волокна значительно снижает вес и повышает долговечность, в отличие от традиционных углеродных материалов, которые не могут эффективно противостоять напряжениям в нескольких направлениях, что может легко привести к усталостным трещинам

【Железнодорожный транспорт: новые метрополитены из углеродного волокна CETROVO от CSR Qingdao Sifang Rolling Stock Co.】

Более легкая конструкция, более энергоэффективная работа. Вес кузова метрополитена из углеродного волокна уменьшен на 25%, вес тележки (многоосевая из углеродного волокна) — на 50%, общий вес поезда снижен примерно на 11%, расход энергии при эксплуатации сократился на 7%. Каждый поезд может сократить выбросы углекислого газа примерно на 130 тонн в год, что эквивалентно озеленению на площади 101 акр.

Снижение эксплуатационных и ремонтных затрат в течение всего жизненного цикла. Благодаря использованию легких материалов из углеродного волокна и новым технологиям значительно уменьшается износ колес и рельсов у поездов метрополитена из углеродного волокна, что существенно снижает объем обслуживания подвижного состава и путей. Общие затраты на техническое обслуживание за весь жизненный цикл сокращаются на 22%.

【Военная промышленность: секретное оружие истребителя F22-Raptor США】

Истребитель F-22 «Raptor» США благодаря использованию различных композиционных материалов, армированных углеродным волокном, включая многопроходные трикотажные композиты из углеродного волокна, достигает доли использования в основных элементах — крыле, хвостовом тормозном щитке, горизонтальном оперении и обшивке фюзеляжа — до 35 %, что значительно снижает массу фюзеляжа и улучшает маневренность, а также повышает усталостную прочность и коррозионную стойкость. Вес фюзеляжа существенно снижен, маневренность, а также устойчивость к усталостным повреждениям и коррозии улучшены.

【Гражданский сектор: Революция материалов нового поколения】

В гражданской сфере многонаправленные ткани из углеродного волокна получили широкое применение во многих отраслях, таких как строительство, медицина, транспорт и спорттовары, и их продукция глубоко интегрирована в повседневную жизнь. В строительной области этот материал широко используется для ремонта и усиления существующих инженерных конструкций благодаря своим преимуществам, таким как удобство монтажа и надёжность эффекта, что значительно способствовало расширению его применения в строительной индустрии. В медицинской сфере с развитием медицинских технологий и ростом осознания важности здоровья постоянно растёт рыночный спрос на высокопроизводительное медицинское оборудование, а интенсивная эксплуатация аппаратуры предъявляет жёсткие требования к её долговечности. Углеродные волокна доказали свою превосходную химическую инертность (устойчивость к коррозии, кислотам и щелочам) и размерную стабильность, что делает их идеальным выбором материала для производства медицинских приборов. Транспортные средства выигрывают от лёгкости и высокой прочности многонаправленных тканей (отличная устойчивость к растяжению и сдвигу), что значительно снижает собственный вес корпуса и уменьшает энергопотребление, а также за счёт превосходных механических свойств эффективно повышает пассивную безопасность транспортного средства. В индустрии спортивных товаров композиты из углеродного волокна отвечают запросам потребителей на высокопроизводительное оборудование и обеспечивают качество и долговечность продукции благодаря малому весу, высокому демпфированию, отличной усталостной стойкости и низким показателям деформации.

Будущее 전망

С постоянным ростом спроса на композиционные материалы многоосная ткань из углеродного волокна благодаря возможности настройки угла укладки, высокой степени свободы проектирования и превосходным механическим свойствам получит более широкие перспективы развития во многих областях. В будущем, с развитием технологий автоматизированного производства и новых систем смол, эффективность производства многоосной ткани будет дополнительно повышена, себестоимость продолжит снижаться, что способствует её масштабному применению в таких высокотехнологичных сферах, как производство лопастей ветряных турбин, новые энергетические транспортные средства, аэрокосмическая промышленность и других. В то же время, превосходные свойства многоосной ткани в плане ударной стойкости и усталостной прочности также раскроют свою большую ценность в гражданских сферах — укреплении зданий, производстве спортивного оборудования и медицинской техники, способствуя распространению лёгких и высокопроизводительных продуктов.