Tại sao vải dệt kim sợi carbon nhiều trục lại trở thành hiện tượng mới trong ‘nền kinh tế độ cao thấp’?

Sự phát triển của nền kinh tế độ cao thấp đặt ra những yêu cầu mới nào đối với vật liệu?

Đối với máy bay không người lái và eVTOL, ‘độ nhẹ’ không chỉ đơn thuần là giảm khối lượng.

Việc giảm khối lượng của một chiếc máy bay có thể làm giảm mức tiêu thụ năng lượng trong quá trình bay, kéo dài thời gian bay và tăng khả năng chở tải. Do đó, việc tối thiểu hóa khối lượng cấu trúc đồng thời đảm bảo an toàn và độ cứng vững của cấu trúc luôn là một thách thức then chốt trong thiết kế máy bay độ cao thấp.

Đồng thời, máy bay độ cao thấp cũng phải chịu đựng các điều kiện tải phức tạp.

Thân máy bay, cánh tay, cánh, cánh quạt và các cấu trúc nối chịu nhiều loại tải trong quá trình bay, bao gồm kéo, nén, uốn, xoắn và rung động.

Điều này có nghĩa là vật liệu cấu trúc lý tưởng không chỉ cần có độ bền và độ cứng cao mà còn phải có khả năng được thiết kế đặc biệt nhằm phù hợp với hướng tác dụng của lực lên từng bộ phận khác nhau của cấu trúc.

Đây chính xác là nơi ưu điểm của vải dệt kim chiều dọc sợi carbon đa trục thể hiện rõ nhất.

Vải dệt kim chiều dọc sợi carbon đa trục là gì?

Khác với các loại vải dệt thường gặp từ sợi carbon theo hướng 0°/90° như vải dệt thô (plain weave) và vải dệt chéo (twill weave), vải dệt kim chiều dọc đa trục không đơn thuần đan xen các sợi với nhau.

Loại vải này cho phép sắp xếp các sợi carbon theo nhiều hướng khác nhau, ví dụ như:

tổ hợp các hướng 0°, ±45° và 90°, cùng nhiều hướng khác.

Các sợi đặt ở các hướng khác nhau chịu tải theo các phương khác nhau, trong khi các sợi dệt kim chiều dọc lại liên kết các lớp sợi riêng lẻ thành một khối thống nhất.

Cấu trúc này giúp hướng sắp xếp sợi của vật liệu phù hợp hơn với điều kiện ứng suất thực tế mà sản phẩm phải chịu.

Nói một cách đơn giản:

ở đâu cần chịu lực theo một hướng cụ thể, thì ở đó có thể bố trí nhiều sợi hơn theo hướng đó.

Điều này cũng khiến các loại vải sợi carbon dệt kim biến dạng đa trục đặc biệt phù hợp với cấu trúc của máy bay và phương tiện bay ở độ cao thấp, vốn có yêu cầu khắt khe cả về hiệu năng cấu trúc lẫn trọng lượng.

Tại sao lại đặc biệt phù hợp với thiết bị bay không người lái (drone)?

1. Chịu tải theo nhiều hướng nhằm đáp ứng các yêu cầu tải phức tạp

Thiết bị bay không người lái (drone) không chỉ chịu lực từ một hướng duy nhất.

Ví dụ, trong quá trình bay, các cánh tay đồng thời chịu các loại tải như uốn, xoắn và rung động.

Nếu chỉ sử dụng các lớp sợi định hướng một chiều, sẽ rất khó đáp ứng các yêu cầu cơ học theo nhiều hướng khác nhau.

Ngược lại, cấu trúc đa trục cho phép thiết kế cơ học hợp lý hơn thông qua việc kết hợp các sợi được định hướng ở các góc khác nhau, chẳng hạn như 0°, ±45° và 90°.

Cụ thể:

Sợi 0° chủ yếu chịu tải kéo và nén dọc trục;

sợi ±45° tăng cường khả năng chịu tải cắt và xoắn của kết cấu;

trong khi sợi ở góc 90° giúp cải thiện độ ổn định ngang.

Bằng cách kết hợp các sợi ở các góc khác nhau, có thể đạt được thiết kế chịu lực kết cấu hợp lý hơn.

2. Ưu điểm nổi bật trong việc giảm trọng lượng

Đối với máy bay, ngay cả việc giảm nhẹ trọng lượng kết cấu một chút cũng mang lại lợi ích hiệu năng rõ rệt.

Sợi carbon vốn có độ bền riêng và độ cứng riêng cao, do đó mang lại lợi thế đáng kể trong việc đạt mục tiêu làm nhẹ kết cấu.

Hơn nữa, vải dệt kim đa trục cho phép thiết kế hướng sợi phù hợp với đặc tính tải của sản phẩm, từ đó giảm bớt việc xếp chồng vật liệu không cần thiết mà vẫn đáp ứng yêu cầu hiệu năng kết cấu.

Do đó, phương pháp này không đơn thuần là ‘thay thế vật liệu nặng bằng vật liệu nhẹ hơn’, mà là một cách tiếp cận nhằm làm nhẹ kết cấu thông qua tối ưu hóa hướng sợi.

Tại sao vải dệt kim chiều nhiều hướng đang thu hút sự chú ý nhiều hơn vải truyền thống?

Ngoài các đặc tính cơ học, vải dệt kim chiều nhiều trục còn mang lại một lợi thế quan trọng khác: hiệu quả xếp lớp.

Trong các quy trình sản xuất vật liệu compozit truyền thống, sợi định hướng theo các hướng khác nhau thường cần được cắt và xếp riêng biệt, rồi chồng thành nhiều lớp theo yêu cầu thiết kế.

Ngược lại, vải dệt kim chiều nhiều trục cho phép kết hợp trước các sợi định hướng theo nhiều hướng vào một vật liệu tích hợp duy nhất. Điều này có nghĩa là, trong một số cấu trúc nhất định, số bước xếp lớp có thể giảm đi, từ đó nâng cao hiệu quả đặt vật liệu.

Điều này đặc biệt quan trọng đối với việc sản xuất hàng loạt máy bay độ cao thấp trong tương lai.

Lý do là khi máy bay không người lái chuyển từ ‘sản xuất nhỏ theo đơn đặt hàng’ sang ‘sản xuất hàng loạt’, vật liệu không chỉ phải đáp ứng các yêu cầu về hiệu năng mà còn phải xem xét:

hiệu quả sản xuất, mức độ sử dụng vật liệu, độ ổn định quy trình và chi phí sản xuất.

Do đó, giá trị của các loại vải dệt kim chiều nhiều trục không chỉ nằm ở ‘hiệu năng vật liệu’ mà còn ở ‘hiệu quả sản xuất’.

Các loại vải dệt kim chiều nhiều trục sợi carbon có thể được ứng dụng ở đâu khác trong tương lai?

Khi nền kinh tế độ cao thấp tiếp tục phát triển, ứng dụng việc ứng dụng vật liệu carbon sợi chiều nhiều trục không chỉ giới hạn ở các bộ phận riêng lẻ.

Các lĩnh vực cần theo dõi trong tương lai bao gồm:

1. Kết cấu thân UAV

Được sử dụng trong vỏ thân, kết cấu chịu lực và các bộ phận khác nhằm giảm trọng lượng và gia cường kết cấu.

2. Cánh tay UAV

Bằng cách kết hợp các sợi được định hướng theo các hướng khác nhau, khả năng chống uốn và chống xoắn của cánh tay được nâng cao.

3. Cánh và cấu trúc cánh

Hướng sợi được thiết kế theo đặc tính tải trọng của các khu vực khác nhau trên cánh nhằm đạt được tối ưu hóa cấu trúc.

4. Thân máy bay eVTOL và các cấu trúc chịu lực bên trong

Đáp ứng đầy đủ các yêu cầu tổng hợp của máy bay cỡ lớn về độ bền cao, kết cấu nhẹ và ổn định cấu trúc.

5. Rô-to và các bộ phận composite khác

Thiết kế cách bố trí sợi theo hướng tải cụ thể nhằm cung cấp giải pháp vật liệu cho các cấu trúc composite phức tạp.

Weinuo: Cung cấp vật liệu sợi carbon cho máy bay ở độ cao thấp

Là nhà cung cấp vật liệu composite sợi carbon, Weinuo cung cấp đa dạng sản phẩm bao gồm vải dệt từ sợi carbon vải gia cường một chiều, vật liệu tiền ngâm (prepreg), vải dệt kim nhiều trục, tấm sợi carbon và các bộ phận gia công CNC, đồng thời sở hữu năng lực xử lý toàn diện từ nguyên vật liệu đầu vào đến sản phẩm bán thành phẩm.

Đặc biệt, dây chuyền sản xuất dệt kim chiều dọc đa trục bằng sợi carbon có khả năng cung cấp các giải pháp vật liệu với các hướng sắp xếp sợi và tổ hợp định lượng khác nhau nhằm đáp ứng các yêu cầu thiết kế cấu trúc đa dạng của khách hàng.

Trước sự phát triển nhanh chóng của nền kinh tế độ cao thấp, đổi mới vật liệu đang nổi lên như một động lực then chốt trong việc giảm trọng lượng máy bay.

Trong tương lai, vải dệt kim chiều dọc đa trục bằng sợi carbon có thể trở thành một trong những vật liệu chủ chốt giúp nhiều loại máy bay độ cao thấp hơn ‘cất cánh với tải trọng nhẹ hơn’.