Традиція проти інновацій: як багатовісні тканини з вуглецевого волокна змінюють конструкційні рішення?

Багатовісні тканини з вуглецевого волокна широко використовуються в багатьох галузях, таких як аерокосмічна промисловість, виробництво вітрової енергії, автомобілебудування, залізничний транспорт, спортивні товари, зміцнення будівель та медичне обладнання, завдяки своїй легкості, високій міцності та відмінним багатонапрямним механічним властивостям, і в основному застосовуються для виготовлення легких, високоефективних конструкційних елементів, щоб підвищити довговічність і ефективність товари , і в той же час із розвитком технологій та зростанням потреб у захисті навколишнього середовища, її застосування сфера застосування продовжує розширюватися.

Основне поняття багатовісної тканини

багатовісне волокно з вуглецю — це структура, у якій вуглецеві волокна розташовані шарами в кількох напрямках або осьових напрямках у композиті з вуглецевого волокна. Ця структура дозволяє отримати міцність і жорсткість у багатьох напрямках, тим самим підвищуючи загальну ефективність композитного матеріалу.

багатовісні тканини з вуглецевого волокна — це тканини, виготовлені з ниток вуглецевого волокна, які в'яжуться основними нитками з поліестеру під багатонапрямними кутами 0°/+45°/-45°/90°.

0/90°	±45°

Багатовісна тканина з вуглецевого волокна має багатокутну структуру шарів волокон 0°, ±45°, 90° тощо і забезпечує точне позиціонування за допомогою технології основов’язання. Кожен шар волокон розташований під певним кутом, утворюючи біоміметичну структуру, подібну до біологічного скелета. Цей унікальний дизайн дозволяє матеріалу зберігати високу міцність у різних напрямках навантаження, усуваючи недоліки традиційних одноманітних тканин із вираженою анізотропією.

Тканина VS. Багатовісна тканина

【ПОЛІЧНИЙ】

(1) Надмірна стійкість: Через коротку відстань між точками переплетення полотняні тканини мають високий ступінь стійкості, що робить їх непридатними для використання в накладках із складними профілями, оскільки вони менш гнучкі, ніж деякі інші тканини.

(2) Концентрація напруження: Через надмірне згинання (кут, утворений волокнами під час ткання) у смужці, грубе згинання створює концентрацію напруження, що з часом може послабити деталь.

【САТИН】

(1) Баланс гнучкості та стійкості: Сатинові тканини не такі хороші, як полотняні, хоча вони мають добру гнучкість і можуть утворювати складні контури.

(2) Різниця міцності: Сатинові тканини менш міцні, ніж полотняні, що може вплинути на їх використання в деяких застосуваннях, де потрібна висока міцність на розтяг.

【Багатовісний Тканини】

На відміну від традиційних тканих матеріалів:

（1）Багатонапрямкові міцність і жорсткість: Це суттєве покращення у порівнянні з простими тканинами, які непридатні для складних контурних ламінацій через надмірну стабільність.

（2）Зменшення викривлення волокон: Гладько-гачкове в’язання значно підвищує міжшарову міцність на зсув, стійкість до пошкоджень, ударну в’язкість і властивості стиснення після удару композитів, що сприяє кращому використанню міцності волокон.

Сфери застосування багатовісьових тканин

【Авіація та космонавтика：T f22 та «Схуднення» Boeing 787

У крилах літаків, несучих конструкціях та інших компонентах матеріали мають бути легкими та мати багатонапрямкові механічні властивості, щоб витримувати аеродинамічні навантаження та багатовимірні напруження. Багатовісьові тканини з вуглецевого волокна завдяки раціональному розташуванню шарів волокон забезпечують більш стабільну конструкцію деталей, підвищуючи міцність і жорсткість

У корпусі фюзеляжу Boeing 787, лопатках вентилятора тощо багатовісьові тканини з вуглецевого волокна значно зменшують вагу та підвищують довговічність. Традиційні матеріали з вуглецевого волокна не можуть ефективно витримувати напруження в багатьох напрямках, що легко призводить до втомних тріщин

【Залізничний транспорт: нове покоління метрополітенів із карбоновим волокном CETROVO від CSR Qingdao Sifang Rolling Stock Co.】

Легша конструкція, ефективніша робота з точки зору споживання енергії. Вага каркаса вагону метро з вуглецевого волокна зменшена на 25%, вага рами візка (багатовісна з вуглецевого волокна) — на 50%, загальна вага потяга зменшена приблизно на 11%, споживання енергії під час експлуатації — на 7%. Кожен потяг щороку може зменшити викиди вуглекислого газу приблизно на 130 тонн, що еквівалентно відновленню лісів на площі 101 акр.

Зниження витрат на технічне обслуговування протягом усього життєвого циклу. Завдяки застосуванню легких матеріалів із вуглецевого волокна та нових технологій, знос коліс та рейок у потязі метро з вуглецевого волокна значно зменшено, що суттєво скорочує потребу у ремонтах вагонів і колії; витрати на обслуговування протягом усього життєвого циклу знижені на 22%.

【Військова промисловість: Секретна зброя американського винищувача F22-Raptor】

Бойовий літак F-22 «Raptor» США завдяки використанню різноманітних композитних матеріалів, армованих вуглепластиком, у тому числі багатовісних трикотажних композитів з вуглецевого волокна, має високий відсоток використання таких матеріалів — до 35% у основних елементах: крилі, хвостовому гальмівному парашуті, горизонтальному хвості, обшивці фюзеляжу та інших частинах, що значно зменшує вагу фюзеляжу, покращує маневреність, а також втомну та корозійну стійкість. Вага фюзеляжу істотно зменшена, маневреність, стійкість до втоми матеріалів і корозії поліпшені.

【Цивільний сектор: Революція матеріалів нового покоління】

У цивільній галузі багатовісні тканини з вуглецевого волокна широко використовуються в таких галузях, як будівництво, медицина, транспорт та спортінвентар, і їхні продукти глибоко інтегрувалися в повсякденне життя. У будівельній сфері матеріал знайшов широке застосування для ремонту та підсилення існуючих інженерних конструкцій завдяки своїм перевагам у вигляді зручності монтажу та надійності ефекту, що значно сприяло розширенню його застосування в будівельній індустрії. У медичній галузі, з розвитком медичних технологій та підвищенням обізнаності щодо здоров'я, попит на високопродуктивне медичне обладнання постійно зростає, а високе навантаження під час роботи обладнання ставить жорсткі вимоги до його довговічності. Вуглецеві матеріали довели свою виняткову хімічну інертність (стійкість до корозії, кислот і лугів) та розмірну стабільність, що робить їх ідеальним вибором для виготовлення медичних приладів. Транспортні засоби отримують користь від легкості та високої міцності багатовісних тканин (відмінний опір на розтягнення та зсув), що значно зменшує власну вагу кузова та знижує енергоспоживання, тоді як їхні відмінні механічні властивості ефективно підвищують пасивну безпеку транспортного засобу. У галузі спортивних товарів композити з вуглецевого волокна задовольняють попит споживачів на високопродуктивне обладнання та забезпечують якість і довговічність продуктів завдяки своїй легкості, високому демпфуванню, відмінній стійкості до втоми та низьким деформаціям.

Перспективи майбутнього

Зі зростанням попиту на композиційні матеріали багатовісна тканина з вуглецевого волокна отримає ще ширші перспективи розвитку в багатьох галузях завдяки можливості налаштування кута плетіння, високій ступені проектування та відмінним механічним властивостям. У майбутньому, завдяки розвитку автоматизованих технологій виробництва та нових смолистих систем, підвищиться ефективність виробництва багатовісних тканин, вартість буде продовжувати оптимізуватися, що сприятиме їх масовому застосуванню у високотехнологічних галузях, таких як вітрові турбіни, нові енергетичні транспортні засоби, авіакосмічна промисловість тощо. У той же час, відмінні властивості багатовісної тканини щодо стійкості до ударів та втомного руйнування знайдуть своє значне застосування в цивільних сферах — зміцненні будівель, спортивному обладнанні та медичному устаткуванні, сприяючи поширенню легких і високоефективних продуктів.