ประเพณี เทียบกับ นวัตกรรม: เส้นใยคาร์บอนแบบหลายแนวแกนช่วยปฏิวัติการออกแบบโครงสร้างอย่างไร?

ผ้าคาร์บอนไฟเบอร์แบบหลายแนวแกนมีการใช้งานอย่างกว้างขวางในหลายสาขา เช่น การบินและอวกาศ การผลิตพลังงานลม การผลิตรถยนต์ การขนส่งทางราง อุปกรณ์กีฬา การเสริมความแข็งแรงของอาคาร และอุปกรณ์ทางการแพทย์ เนื่องจากมีน้ำหนักเบา ความแข็งแรงสูง และคุณสมบัติทางกลที่ดีเยี่ยมในหลายทิศทาง โดยส่วนใหญ่ใช้ในการผลิตชิ้นส่วนโครงสร้างที่มีน้ำหนักเบาและประสิทธิภาพสูง เพื่อเพิ่มความทนทานและประสิทธิภาพของ ผลิตภัณฑ์ และในขณะเดียวกัน ด้วยการพัฒนาของเทคโนโลยีและความต้องการด้านสิ่งแวดล้อมที่เพิ่มขึ้น ขอบเขตการใช้งานของมันก็ยังคงขยายตัวต่อไป การใช้งาน ขอบเขตการใช้งานยังคงขยายตัวอย่างต่อเนื่อง

แนวคิดพื้นฐานของผ้าแบบหลายแนวแกน

คาร์บอนไฟเบอร์มัลติแอกเซียล หมายถึง โครงสร้างที่เส้นใยคาร์บอนถูกจัดเรียงเป็นชั้นๆ ในหลายทิศทางหรือแนวแกนต่างๆ ภายในวัสดุคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ โครงสร้างนี้สามารถให้ความแข็งแรงและความแข็งแรงต่อแรงกระทำจากหลายทิศทาง จึงช่วยเพิ่มประสิทธิภาพโดยรวมของวัสดุคอมโพสิต

ผ้าคาร์บอนไฟเบอร์มัลติแอกเซียล คือ ผ้าที่ผลิตจากเส้นใยคาร์บอน ซึ่งถักด้วยเส้นด้ายโพลีเอสเตอร์ในมุมหลายทิศทาง ได้แก่ 0°/+45°/-45°/90°

0/90°	±45°

ผ้าคาร์บอนไฟเบอร์มัลติแอกเซียลใช้โครงสร้างชั้นไฟเบอร์หลายมุม เช่น 0°, ±45°, 90° เป็นต้น และใช้เทคโนโลยีการถักตามแนวเส้นยืน (warp knitting) เพื่อให้เกิดการจัดตำแหน่งอย่างแม่นยำ เส้นใยแต่ละชั้นจะถูกจัดวางในมุมที่เฉพาะเจาะจง เพื่อสร้างโครงสร้างเลียนแบบคล้ายโครงกระดูกของสิ่งมีชีวิต การออกแบบพิเศษนี้ทำให้วัสดุสามารถคงความแข็งแรงสูงไว้ได้ภายใต้แรงเครียดจากทิศทางต่างๆ จึงสามารถขจัดข้อเสียของผ้าแบบเดี่ยวทิศทางเดิมที่มีลักษณะไม่สมมาตรอย่างชัดเจน

ผ้าทอ เปรียบเทียบกับ ผ้ามัลติแอกเซียล

【แบบทอเรียบ】

(1) ความเสถียรเกินไป: เนื่องจากมีระยะห่างสั้นระหว่างจุดที่ทอข้ามกัน ผ้าทอแบบเรียบจึงมีความเสถียรสูง ทำให้ไม่เหมาะสำหรับใช้ในชิ้นส่วนที่มีรูปทรงซับซ้อน เพราะมีความยืดหยุ่นน้อยกว่าผ้าบางชนิด

(2) การรวมตัวของแรงเครียด: เนื่องจากการโก่งตัวมากเกินไป (มุมที่เกิดจากเส้นใยขณะถูกทอ) ในเส้นด้าย การโก่งตัวที่หยาบนี้จะทำให้เกิดการรวมตัวของแรงเครียด ซึ่งอาจทำให้ชิ้นส่วนอ่อนแอลงตามกาลเวลา

【แบบทออสมมาตร】

(1) ความสมดุลระหว่างความยืดหยุ่นและความเสถียร: ผ้าทออสมมาตรไม่เสถียรเท่าผ้าทอเรียบ แม้ว่าจะมีความยืดหยุ่นดีและสามารถขึ้นรูปเป็นพื้นผิวซับซ้อนได้

(2) ความแตกต่างของความแข็งแรง: ผ้าทออสมแดนมีความแข็งแรงน้อยกว่าผ้าทอเรียบ ซึ่งอาจส่งผลต่อการใช้งานในบางแอปพลิเคชันที่ต้องการความต้านทานแรงดึงสูง

หลายแกน ผ้า

ไม่เหมือนกับผ้าที่เนื้อแบบดั้งเดิม

(1) มัลติไดเร ความแข็งแรงและความแข็งแรง: นี่คือการปรับปรุงอย่างสําคัญสําหรับผ้าธรรมดา ซึ่งไม่เหมาะสําหรับการผสมผสานรูปทรงที่ซับซ้อน เนื่องจากความมั่นคงที่เกิน

(2) การลดความโค้งของเส้นใย: การผูกเชื้อคอนโดลูมป์เพิ่มความแข็งแรงในการตัด interlaminar, ความอดทนต่อความเสียหาย, ความแข็งแรงจากการกระแทกและคุณสมบัติการบดหลังการกระแทกของผสมผสมผสม ซึ่งเป็นการส่งเสริมความแข็งแรงของเส้นใยมากขึ้น

พื้นที่ใช้งานสําหรับผ้าหลายแกน

การบิน:T f22 และการเดินทาง "ลดน้ำหนัก" ของ Boeing 787

ในปีกเครื่องบิน กรอบโครงสร้าง และชิ้นส่วนอื่นๆ ต้องใช้วัสดุที่ทั้งเบาและมีคุณสมบัติเชิงกลหลายทิศทาง เพื่อทนต่อแรงจากอากาศพลศาสตร์และแรงเครียดหลายมิติ ผ้าคาร์บอนไฟเบอร์แบบหลายแกน (multi-axial fabrics) ผ่านการออกแบบการวางเส้นใยอย่างเหมาะสม ทำให้โครงสร้างของชิ้นส่วนมีความมั่นคงมากขึ้น พร้อมเพิ่มความแข็งแรงและความเหนียว

เปลือกลำตัว Boeing 787 ใบพัดลม ฯลฯ ผ้าคาร์บอนไฟเบอร์แบบหลายแกนช่วยลดน้ำหนักได้อย่างมาก และเพิ่มความทนทานต่อแรงเครียดหลายทิศทาง ซึ่งวัสดุคาร์บอนไฟเบอร์แบบดั้งเดิมไม่สามารถทนต่อได้อย่างมีประสิทธิภาพ จึงอาจนำไปสู่การแตกร้าวจากความล้าได้ง่าย

【การขนส่งทางรถไฟ：CETROVO ยานยนต์ใต้ดินคาร์บอนไฟเบอร์รุ่นใหม่จากบริษัท CSR Qingdao Sifang Rolling Stock Co.】

น้ำหนักตัวรถเบาขึ้น การดำเนินงานที่ประหยัดพลังงานมากขึ้น ตัวถังรถไฟใต้ดินที่ทำจากเส้นใยคาร์บอนลดน้ำหนักได้ 25% กรอบล้อเลื่อน (คาร์บอนไฟเบอร์แบบหลายแกน) ลดน้ำหนักได้ 50% น้ำหนักรถโดยรวมลดลงประมาณ 11% การใช้พลังงานในการเดินรถลดลง 7% รถไฟแต่ละขบวนสามารถลดการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ได้ประมาณ 130 ตันต่อปี เทียบเท่ากับพื้นที่ปลูกป่า 101 ไร่

ค่าใช้จ่ายในการดำเนินงานและการบำรุงรักษาระหว่างอายุการใช้งานต่ำลง เนื่องจากวัสดุคาร์บอนไฟเบอร์ที่มีน้ำหนักเบาและเทคโนโลยีใหม่ๆ ทำให้การสึกหรอของล้อและรางรถไฟของขบวนรถไฟใต้ดินที่ทำจากคาร์บอนไฟเบอร์ลดลงอย่างมาก ช่วยลดความจำเป็นในการบำรุงรักษารถยนต์และทางรางอย่างมีนัยสำคัญ ค่าใช้จ่ายในการบำรุงรักษาตลอดอายุการใช้งานลดลง 22%

【อุตสาหกรรมทหาร：อาวุธลับของเครื่องบินรบ F22-Raptor สหรัฐอเมริกา】

เครื่องบินรบ F-22 "แร็พเตอร์" ของสหรัฐอเมริกาใช้วัสดุคอมโพสิตที่เสริมด้วยเส้นใยคาร์บอนหลายประเภท รวมถึงวัสดุคอมโพสิตผ้าถักเส้นด้ายแนวตั้งหลายแกนจากเส้นใยคาร์บอน ทำให้อัตราส่วนการใช้งานในส่วนต่างๆ เช่น ปีกหลัก, หางท้ายแบบลาก, หางราบ และเปลือกเรือนลำตัว มีสูงถึง 35% ช่วยลดน้ำหนักของเรือนลำตัวอย่างมาก และเพิ่มประสิทธิภาพด้านความคล่องตัว การทนต่อแรงเหนี่ยวนำ และความต้านทานการกัดกร่อน นอกจากนี้ยังช่วยลดน้ำหนักของเรือนลำตัวอย่างมีนัยสำคัญ พร้อมทั้งปรับปรุงสมรรถนะด้านการควบคุมทิศทาง ความทนทานต่อแรงกระแทก และความต้านทานการกัดกร่อน

【ภาคพลเรือน：การปฏิวัติวัสดุรุ่นใหม่】

ในด้านพลเรือน ผ้าคาร์บอนไฟเบอร์แบบหลายแกนถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายในหลายอุตสาหกรรม เช่น การก่อสร้าง การแพทย์ การขนส่ง และอุปกรณ์กีฬา โดยผลิตภัณฑ์เหล่านี้ได้แทรกซึมเข้าไปอย่างลึกซึ้งในชีวิตประจำวัน ในสาขาการก่อสร้าง วัสดุดังกล่าวได้รับการนำไปใช้อย่างกว้างขวางในการซ่อมแซมและเสริมความแข็งแรงให้กับโครงสร้างวิศวกรรมที่มีอยู่แล้ว เนื่องจากมีข้อได้เปรียบในด้านความสะดวกในการติดตั้งและประสิทธิภาพที่เชื่อถือได้ ซึ่งช่วยส่งเสริมการขยายตัวของการใช้งานในอุตสาหกรรมการก่อสร้างอย่างมาก ในด้านการแพทย์ ด้วยความก้าวหน้าของเทคโนโลยีทางการแพทย์และการเพิ่มขึ้นของจิตสำนึกด้านสุขภาพ ความต้องการตลาดสำหรับอุปกรณ์การแพทย์สมรรถนะสูงยังคงเติบโตอย่างต่อเนื่อง ขณะเดียวกันการทำงานภายใต้ภาระหนักของอุปกรณ์ต่างๆ ก็ทำให้มีข้อกำหนดที่เข้มงวดต่อความทนทานของอุปกรณ์ วัสดุคาร์บอนไฟเบอร์พิสูจน์แล้วว่ามีคุณสมบัติเฉื่อยทางเคมีที่ยอดเยี่ยม (ทนต่อการกัดกร่อน ทนต่อกรดและด่าง) และมีความมั่นคงของขนาด ทำให้เป็นวัสดุที่เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการผลิตอุปกรณ์ทางการแพทย์ เครื่องมือขนส่งได้รับประโยชน์จากคุณสมบัติน้ำหนักเบาและความแข็งแรงสูงของผ้าแบบหลายแกน (มีความต้านทานแรงดึงและแรงเฉือนได้ดีเยี่ยม) ซึ่งช่วยลดน้ำหนักตัวถังรถโดยสารโดยรวมอย่างมีนัยสำคัญ และลดการบริโภคพลังงานลง ขณะเดียวกันคุณสมบัติทางกลที่โดดเด่นยังช่วยเสริมความปลอดภัยแบบพาสซีฟของยานพาหนะได้อย่างมีประสิทธิภาพ ในอุตสาหกรรมสินค้ากีฬา คอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ตอบสนองความต้องการของผู้บริโภคที่ต้องการอุปกรณ์สมรรถนะสูง และรับประกันคุณภาพและความทนทานของผลิตภัณฑ์ด้วยคุณสมบัติน้ำหนักเบา การดูดซับการสั่นสะเทือนได้ดี ความต้านทานต่อการเหนื่อยล้าที่ยอดเยี่ยม และค่าความเครียดต่ำ

แนวโน้มในอนาคต

ด้วยความต้องการใช้วัสดุคอมโพสิตที่เพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง ผ้าคาร์บอนไฟเบอร์แบบหลายแกน (multi-axial cloth) จะได้รับพื้นที่การพัฒนาที่กว้างขวางยิ่งขึ้นในหลายสาขา โดยอาศัยมุมการเรียงชั้นที่สามารถปรับแต่งได้ อิสระในการออกแบบสูง และคุณสมบัติทางกลที่ยอดเยี่ยม ในอนาคต เมื่อมีความก้าวหน้าของเทคโนโลยีการผลิตแบบอัตโนมัติและระบบเรซินใหม่ๆ ประสิทธิภาพการผลิตของผ้าแบบหลายแกนจะเพิ่มสูงขึ้นอย่างต่อเนื่อง ต้นทุนจะถูกปรับปรุงให้ดียิ่งขึ้น และส่งเสริมการใช้งานในวงกว้างมากขึ้นในด้านไฮเอนด์ เช่น ใบพัดกังหันลม ยานยนต์พลังงานใหม่ และการบินและอวกาศ พร้อมกันนี้ คุณสมบัติที่โดดเด่นด้านความต้านทานแรงกระแทกและความต้านทานการล้าของผ้าแบบหลายแกน ก็จะแสดงคุณค่าได้อย่างเต็มที่ยิ่งขึ้นในงานด้านพลเรือน เช่น การเสริมความแข็งแรงของอาคาร อุปกรณ์กีฬา และอุปกรณ์ทางการแพทย์ เพื่อสนับสนุนการแพร่หลายของผลิตภัณฑ์ที่เบาและมีสมรรถนะสูง