Truyền thống VS. Đổi mới: Vải sợi carbon đa hướng đang cách tân thiết kế kết cấu như thế nào?

Vải sợi carbon đa hướng được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như hàng không vũ trụ, phát điện gió, sản xuất ô tô, giao thông đường sắt, dụng cụ thể thao, gia cố công trình và thiết bị y tế nhờ trọng lượng nhẹ, độ bền cao và tính năng cơ học đa hướng vượt trội, chủ yếu dùng để chế tạo các bộ phận kết cấu nhẹ, hiệu suất cao nhằm cải thiện độ bền và hiệu quả của sẢN PHẨM , và đồng thời, cùng với sự phát triển của công nghệ và nhu cầu bảo vệ môi trường ngày càng tăng, phạm vi ứng dụng của nó ứng dụng vẫn đang tiếp tục mở rộng.

Khái niệm cơ bản về vải đa hướng

1. Sợi carbon đa trục đề cập đến cấu trúc trong đó các sợi carbon được sắp xếp thành các lớp theo nhiều hướng hoặc phương trục khác nhau trong vật liệu composite sợi carbon. Cấu trúc này có thể đạt được độ bền và độ cứng cao theo nhiều hướng, từ đó cải thiện hiệu suất tổng thể của vật liệu composite.

2. Vải sợi carbon đa trục là loại vải làm từ các sợi filament carbon được dệt kim canh sợi bằng chỉ polyester theo các góc đa hướng 0°/+45°/-45°/90°.

0/90°	±45°

Vải sợi carbon đa trục áp dụng cấu trúc lớp sợi nhiều góc như 0°, ±45°, 90°, v.v., và đạt được sự định vị chính xác thông qua công nghệ dệt kim canh sợi. Mỗi lớp sợi được bố trí ở một góc cụ thể để tạo thành cấu trúc bắt chước tự nhiên tương tự như khung xương sinh học. Thiết kế độc đáo này giúp vật liệu duy trì độ bền cao dưới các hướng chịu lực khác nhau, khắc phục nhược điểm của vải một chiều truyền thống vốn có tính dị hướng rõ rệt.

Vải Dệt VS. Vải Đa Trục

【PLAIN】

(1) Độ ổn định quá mức: Do khoảng cách ngắn giữa các điểm đan chéo, vải dệt chéo (plain weave) có độ ổn định cao, điều này khiến chúng không phù hợp để sử dụng trong các lớp phủ có hình dạng phức tạp, vì chúng kém linh hoạt hơn so với một số loại vải khác.

(2) Tập trung ứng suất: Do độ cong quá mức (góc tạo bởi các sợi khi được dệt) trong bó sợi, độ cong gồ ghề này tạo ra hiện tượng tập trung ứng suất, có thể làm yếu bộ phận theo thời gian

【TWILL】

（1）Cân bằng giữa độ linh hoạt và độ ổn định: Vải dệt chéo (twill) không ổn định bằng vải dệt thường mặc dù chúng có độ linh hoạt tốt và có thể tạo thành các đường viền phức tạp.

（2）Sự khác biệt về độ bền: Vải dệt chéo (twill) có độ bền thấp hơn vải dệt thường, điều này có thể ảnh hưởng đến việc sử dụng chúng trong một số ứng dụng yêu cầu độ bền kéo cao.

nhiều trục Vải

Không giống như vải dệt truyền thống:

(1) Nhiều đường sức mạnh và độ cứng: Đây là một sự cải thiện đáng kể đối với vải đơn giản, không phù hợp với các lớp lót đường viền phức tạp do độ ổn định quá mức.

(2) Giảm độ cong của sợi: Dệt dệt xoắn tăng đáng kể độ bền cắt giữa các lớp, dung nạp tổn thương, độ dẻo dai tác động và tính nén sau tác động của vật liệu tổng hợp, điều này thuận lợi hơn cho độ bền sợi.

Các lĩnh vực ứng dụng cho vải đa trục

Hàng không vũ trụ:T hành trình "thon gọn" của F22 và Boeing 787

Trong cánh máy bay, khung kết cấu và các bộ phận khác, yêu cầu vật liệu phải vừa nhẹ vừa có tính chất cơ học đa hướng để chịu được tải khí động học và ứng suất nhiều chiều. Vải sợi carbon đa trục thông qua thiết kế hợp lý cách bố trí sợi, giúp cấu trúc bộ phận ổn định hơn, tăng cường độ bền và độ cứng

Vỏ thân tàu Boeing 787, cánh quạt, v.v., vải sợi carbon đa trục giảm đáng kể trọng lượng và tăng khả năng chống chịu; trong khi đó vật liệu sợi carbon truyền thống không thể chịu hiệu quả ứng suất theo nhiều hướng, dễ dẫn đến nứt mỏi và giảm độ bền

【Giao thông đường sắt: Phương tiện metro thế hệ mới bằng sợi carbon CETROVO từ Công ty Cổ phần Tàu xe Qingdao Sifang thuộc CSR】

Thân xe nhẹ hơn, vận hành tiết kiệm năng lượng hơn. Thân toa xe bằng sợi carbon giảm trọng lượng 25%, khung bô ghi (nhiều trục sợi carbon) giảm trọng lượng 50%, tổng trọng lượng toàn xe giảm khoảng 11%, tiêu thụ năng lượng khi vận hành giảm 7%, mỗi đoàn tàu có thể giảm phát thải khí CO2 khoảng 130 tấn mỗi năm, tương đương với diện tích trồng rừng 101 mẫu.

Chi phí vận hành và bảo trì trong suốt vòng đời thấp hơn. Nhờ sử dụng vật liệu nhẹ sợi carbon và ứng dụng các công nghệ mới, mức độ mài mòn bánh xe và ray của tàu điện ngầm bằng sợi carbon được giảm đáng kể, từ đó làm giảm rõ rệt khối lượng bảo trì toa xe và đường ray, chi phí bảo trì trong suốt vòng đời giảm 22%.

【Công nghiệp quân sự: Vũ khí bí mật của tiêm kích F22-Raptor Hoa Kỳ】

Chiến đấu cơ F-22 "Raptor" của Mỹ thông qua việc sử dụng nhiều loại vật liệu composite gia cố sợi carbon, bao gồm các vật liệu composite dệt kim cuộn sợi carbon đa trục, tỷ lệ sử dụng ở các bộ phận như cánh chính, đuôi hãm, đuôi bằng phẳng và vỏ thân máy bay lên tới 35%, giảm đáng kể trọng lượng thân máy, cải thiện tính linh hoạt cơ động cũng như độ bền mỏi, khả năng chống ăn mòn và các đặc tính khác. Trọng lượng thân máy đã được giảm đáng kể, đồng thời khả năng cơ động, độ bền mỏi và khả năng chống ăn mòn cũng được nâng cao.

【Lĩnh vực dân sự: Cuộc cách mạng Vật liệu Thế hệ Mới】

Trong lĩnh vực dân dụng, các loại vải sợi carbon đa trục đã được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp như xây dựng, y tế, giao thông vận tải và thiết bị thể thao, và các sản phẩm của chúng đã được tích hợp sâu vào đời sống hàng ngày. Trong lĩnh vực xây dựng, vật liệu này đã được áp dụng phổ biến để sửa chữa và gia cố các kết cấu kỹ thuật hiện có nhờ những ưu điểm như thi công thuận tiện và hiệu quả đáng tin cậy, từ đó thúc đẩy mạnh mẽ sự mở rộng ứng dụng trong ngành xây dựng. Trong lĩnh vực y tế, cùng với sự phát triển của công nghệ y tế và nâng cao nhận thức về sức khỏe, nhu cầu thị trường đối với các thiết bị y tế hiệu suất cao không ngừng tăng trưởng, đồng thời việc vận hành thiết bị ở tải trọng cao đặt ra yêu cầu khắt khe về độ bền. Các vật liệu sợi carbon đã chứng minh được tính trơ hóa học vượt trội (chống ăn mòn, chịu axit và kiềm) và độ ổn định kích thước, khiến chúng trở thành lựa chọn lý tưởng trong sản xuất thiết bị y tế. Các phương tiện giao thông vận tải hưởng lợi từ đặc tính nhẹ và độ bền cao của các vải đa trục (khả năng chịu kéo và cắt tốt), giúp giảm đáng kể trọng lượng bản thân phương tiện và mức tiêu thụ năng lượng, đồng thời các tính chất cơ học vượt trội của chúng còn nâng cao hiệu quả an toàn thụ động cho xe. Trong ngành hàng thể thao, các vật liệu composite sợi carbon đáp ứng nhu cầu của người tiêu dùng về thiết bị hiệu suất cao và đảm bảo chất lượng cũng như độ bền sản phẩm nhờ đặc tính nhẹ, giảm chấn tốt, khả năng chống mỏi vượt trội và độ biến dạng thấp.

Triển vọng Tương lai

Với nhu cầu ứng dụng vật liệu composite không ngừng cải thiện, vải đa trục sợi carbon sẽ mở ra không gian phát triển rộng lớn hơn trong nhiều lĩnh vực nhờ góc xếp lớp có thể tùy chỉnh, độ linh hoạt cao trong thiết kế và các tính năng cơ học vượt trội. Trong tương lai, cùng với sự tiến bộ của công nghệ sản xuất tự động hóa và các hệ thống nhựa mới, hiệu suất sản xuất vải đa trục sẽ tiếp tục được nâng cao, chi phí tiếp tục được tối ưu hóa, từ đó thúc đẩy việc ứng dụng quy mô lớn trong các lĩnh vực cao cấp như cánh tuabin gió, phương tiện giao thông năng lượng mới, hàng không vũ trụ. Đồng thời, các tính năng chống va chạm và chống mỏi vượt trội của vải đa trục cũng sẽ phát huy giá trị lớn hơn trong các lĩnh vực dân dụng như gia cố công trình xây dựng, thiết bị thể thao và thiết bị y tế, góp phần thúc đẩy phổ biến các sản phẩm nhẹ, hiệu suất cao.