Како тканине од угљенских влакана постижу двоструко побољшање чврстоће и трајности производа?

Микрокриптографија: хексагонална војска формирана од атома угљеника

Одакле долази чврстоћа угљенских влакана? Мораме почети са његовом микроструктуром.

Угледна влакна имају пречник од само 5 до 10 микрометра, што их чини више од десет пута финијим од људске косе. Међутим, унутар ових финих филамената, атоми угљеника су распоређени у структуру шестоугалне мреже и високо су оријентисани дуж осијског правца влакана. То се може замислити као безброј микрометарских појачаних шипкица које су уредно израмњене у истом правцу и раде заједно како би издржале натежне снаге.

Резултат ове структуре је да су угљенична влакна 7 до 10 пута јача од челика, али само четвртина густије. Угледна влакна могу да издржавају много веће снаге на исте тежине него челик; при истој чврстоћи, они су више од 70 посто лакши од челика.

Једноставно речено, они су природно лаки мотори.

Уметност ткања: Преврштање ујачаних пруга у броне

Без обзира колико је једно влакно јако, не може се директно користити. Први корак у производњи тканине од угљенских влакана је ткање, превртање хиљада и хиљада влакана угљенских влакана у жицу, слично као и преткање нитке, а затим их ткање у тканину помоћу обичних, вешаних или сатенских ткања.

Различите методе ткања одређују карактеристике тканине:

Једноставна ткања: Ткања од уши и преплетеница се редују једна изнад друге и једна испод, стварајући стабилну структуру погодну за компоненте са редовним облицима.

Твилл течење: Ворп нит прелази две или више ниткови пре преплетања са њима, формирајући континуиран дијагонални образац.

Сатен-течена тканина: Плеће прелазе преко неколико нитља пре него што се преплете, пружајући одличну завесу и способност да се прилагоде сложеним закривљеним површинама.

± 45° тканина за вртење: Ворп нитчеви формирају угао од 45° са селджежом, пружајући изузетну конформичност када се упаљују конусни или закривљени објекти; погодан је за компоненте неправилног облика као што су ракетне нозе и ракетне бојеве

Што је још важније, сама тканина структура делује као мрежа за пренос снаге. Дизајн двонасочног преплитања омогућава равномерно распоређивање оптерећења у оба правца увртања и преплитања, повећавајући укупне механичке перформансе. Истраживања показују да што је густија тканина већа и што су влакана дебљија, то је већа чврстоћа тканине, јер висока густина смањује оштећење влакана узроковано тријењем.

Магија синергије: Ефекат 1+12

Међутим, сама тканина није довољна, она је као куп лабавих цигле којима је потребан цемент да би се држала заједно. Овај цемент је смола матрица (обично епоксична смола).

Тек када је тканина од угљенских влакана прописана смолом и оштрена, она заиста постаје композит од угљенских влакана. Овај корак постиже два кључна побољшања:

1. у вези са Предавање снаге и отпорност на пукотине

Резина чврсто заглавља сваку влакна. Када се примењује спољашња сила, стрес се преноси кроз смолу на изузетно јака влакана, која "поноси" већину тежачке силе. Матрица смоле спречава ширење пукотина између влакана, чиме се повећава укупна чврстоћа.

2. Уколико је потребно. Ојачање интерфејса

Угледна влакна имају глатку површину, што резултира слабом адхезијом на смолу. Кроз технике као што су оксидација површине, хемијско присађивање и модификација наночестица, истраживачи су повећали грубост површине и увели активне функционалне групе на влакна, омогућавајући влакна и смоле да се чвршће повежу. Ово значајно повећава чврстоћу за сечење између ламинара и свеобухватна механичка својства композитног материјала.

Издржљивост: Не само да је чврста, већ и дуготрајна

Производи не морају бити само јаки, већ и трајни. Тврдост угљенских влакана је очигледна у неколико аспеката:

Отпорност на умору:

Метали се акумулирају када су под вишеструким стресом, што на крају доводи до неуспјеха у умору. За разлику од тога, композити од угљенских влакана показују изузетно споро уношење наступа под ваљеним оптерећењима, што их чини погодним за компоненте дуге трајности као што су лопатице авиона и ветровинских турбина.

Otpornost na koroziju:

Угледно влакно је хемијски стабилно и не рђа као челик. Када се користе у каблима мостова, њихов животни век се може продужити са тренутних 2025 година на више од 100 година.

Отпорност на температуру:

Тканине од угљенских влакана одржавају стабилну чврстоћу компресије у распону од 55 °C до 75 °C, показујући одлична механичка својства чак и на екстремним температурама.

Примене у стварном свету: од свемира до нашег свакодневног живота

Захваљујући овим својствима, тканине од угљенских влакана трансформишу низ индустрија:

Нове енергетске возила

Угледно влакно је 7 до 9 пута јаче од челика, али има само четвртину његове густине. Употреба угљенских влакана за курозу може смањити укупну тежину возила за 30-50%, знатно повећавајући његов опсег. Оптимизовани заштитни зид од угљенских влакана за електрична возила смањује тежину за 36 одсто, а заправо повећава крутост за 26 одсто.

️ Аерокосмичка индустрија

Замена метала угљенским влакном у основној носачкој структури авиона може смањити тежину за 20 до 40 посто, што му омогућава да лети даље и ефикасније са горивом. Тело ракете, направљено од угљенских влакана, може се без напора подићи само једном руком.

️ Корабство

Оптимизирајући низавање различитих тканина, инжењери су успели да смање тежину за 30 посто, а истовремено задржавају исту чврстоћу у основи главне јединице.

Грађевинско инжењерство

Мостови кабли направљени од композитних темена од угљенских влакана су лагани и отпорни на корозију, што омогућава да се просек мостова са каблима продужи са 2 километра на 5 километара или чак 10 километара.

Тајна ткива од угљенских влакана која постижу и лакост и јакост у суштини лежи у комбинацији фактора: на микроскопском нивоу распоред атома угљеника поставља темеље чврстоће; у смислу ткања, преплитање нитки од варп и плет формира мрежу

То значи да "лакше" и "јаче" више не искључују једно друго. Са пробојним достигнућима у масовној производњи 48К великог вугленовог влакана и смањењем трошкова за око 20 одсто, ово "црно злато" брзо пролази из најсавременијих поља у наш свакодневни живот. У будућности, аутомобил којим возите, мост који прелазите и авион који гледате може бити све тесно повезано са овом "црном ткивом".