Proses gynhyrchu a thechnolegau perfformiad allweddol tiwbiau ffibr carbon

Ym maes gwyddoniaeth deunyddiau uwch, mae tiwbiau ffibr carbon wedi dod yn ddeunydd meincnod mewn cymwysiadau peirianneg, gan gyfuno dwysedd isel iawn yn organig â phriodweddau mecanyddol rhagorol. O strwythurau awyrofod a chydrannau modurol perfformiad uchel i systemau robot diwydiannol manwl gywir, mae tiwbiau ffibr carbon yn disodli deunyddiau metelaidd traddodiadol fel dur ac alwminiwm yn raddol oherwydd ei gryfder penodol rhagorol a'i anystwythder penodol. Mae dealltwriaeth ddofn o'i brosesau gweithgynhyrchu cymhleth a'i fecanweithiau ffurfio perfformiad yn hanfodol i beirianwyr a gweithgynhyrchwyr sydd wedi ymrwymo i wella effeithlonrwydd cymwysiadau deunydd cyfansawdd.

Beth yw'r broses weithgynhyrchu ar gyfer tiwbiau ffibr carbon?

Mae gweithgynhyrchu tiwbiau ffibr carbon yn broses gymhleth iawn ac aml-gam, a'i chraidd yw trawsnewid ffibrau rhagflaenol yn strwythurau perfformiad uchel cryfder, uchel. Yn wahanol i ddeunyddiau metelaidd isotropig, mae tiwbiau ffibr carbon yn arddangos anisotropi sylweddol, ac mae eu priodweddau mecanyddol yn dibynnu i raddau helaeth ar gyfeiriadedd a gosodiad y ffibrau. Mewn arfer diwydiannol, mae paratoi tiwbiau ffibr carbon cryfder uchel yn dibynnu'n bennaf ar dair proses aeddfed: pultrusion, dirwyn ffilament, a dirwyn ffibr.

Proses pultrusion

Mae mowldio pultrusion tiwbiau ffibr carbon yn dechnoleg gweithgynhyrchu parhaus nodweddiadol, a ddefnyddir yn bennaf i gynhyrchu proffiliau â thrawstoriadau cyson. Yn y broses hon, mae bwndeli ffibr carbon parhaus yn pasio trwy system impregnation resin (fel arfer resin epocsi neu resin ester finyl), ac yna'n cael eu tynnu i mewn i fowld wedi'i gynhesu ar gyfer mowldio a halltu. Wrth i'r ffibrau trwytho fynd trwy'r mowld, mae'r gwres yn sbarduno adwaith croesgysylltu yn y resin, gan wella a siapio'r deunydd, gan ffurfio strwythur trwchus, solet yn y pen draw.

Mae gan y broses hon effeithlonrwydd cynhyrchu rhagorol, gan ei gwneud yn arbennig o addas ar gyfer senarios cynhyrchu màs. Fodd bynnag, mae ei nodweddion proses fel arfer yn cyfyngu ar gyfeiriadedd ffibr i'r cyfeiriad echelinol (cyfeiriad 0 gradd). Er y gall hyn wella anystwythder a chryfder echelinol yn sylweddol, yn aml mae angen ei atgyfnerthu trwy ddyluniad strwythurol ychwanegol neu ddulliau cryfhau aml-echel pan fydd yn destun llwythi dirdro neu straen aml-echelin.

Prepreg technoleg dirwyn i ben

Mae'r broses hon yn cael ei hystyried yn gyffredinol fel meincnod y diwydiant ar gyfer gweithgynhyrchu tiwbiau ffibr carbon manwl-gywir bach i ganolig. Mae ei graidd yn gorwedd yn y defnydd o prepreg-deunydd ffibr carbon cyn-wedi'i drwytho â resin mewn cymhareb benodol. Wrth gynhyrchu, mae technegwyr yn dirwyn haenau lluosog o ragpreg ar wyneb mandrel dur neu alwminiwm wedi'i beiriannu, yn unol â gofynion dylunio.

Mantais allweddol y dull hwn yw lefel uchel y gallu i reoli'r dyluniad gosod, gan ganiatáu ar gyfer gosodiad hyblyg o onglau cyfeiriadedd ffibr (ee, 0 gradd, ±45 gradd, 90 gradd) yn unol â gofynion llwyth, a thrwy hynny gyflawni optimeiddio perfformiad strwythurol wedi'i deilwra. Ar ôl weindio, mae'r gydran fel arfer yn cael ei lapio â thâp y gellir ei grebachu â gwres a'i halltu mewn amgylchedd tymheredd rheoledig (ee, popty). Mae'r tâp yn darparu cywasgiad unffurf yn ystod gwresogi, sy'n helpu i gynyddu'r ffracsiwn cyfaint ffibr a lleihau mandylledd, gan wella'n sylweddol eiddo mecanyddol cyffredinol a dwysedd strwythurol y cynnyrch.

Dirwyn ffibr

Ar gyfer{0}}diwbiau ffibr carbon diamedr mawr neu'r rhai sydd angen ymwrthedd pwysedd uchel, dirwyn ffibr yw un o'r technolegau gweithgynhyrchu mwyaf addasadwy ym maes peirianneg. Yn y broses hon, mae ffibrau parhaus wedi'u trwytho â resin yn cael eu cyflwyno'n unffurf a'u gosod ar wyneb mandrel cylchdroi. Trwy reolaeth fanwl gywir ar lwybr symud y cerbyd gan system CNC, gellir gosod y ffibrau'n awtomatig gyda chysondeb uchel yn unol â llwybrau geometrig rhagosodedig (megis cyfarwyddiadau cylchedd, helical neu begynol).

Mantais graidd y broses hon yw ei lefel uchel o reolaeth dros gyfeiriadedd a dosbarthiad ffibr, gan alluogi dyluniad wedi'i optimeiddio ar gyfer llwythi pwysau mewnol a chyflyrau straen aml-echel cymhleth. Felly, mae dirwyn ffibr yn perfformio'n eithriadol o dda mewn strwythurau megis llestri pwysau a phiblinellau deunydd cyfansawdd sy'n gorfod gwrthsefyll pwysau mewnol neu lwythi cypledig, gan wella'n sylweddol lwyth y strwythur -o gofio effeithlonrwydd ac ymyl diogelwch.

Cymharu dulliau gweithgynhyrchu tiwbiau ffibr carbon

Pam mae cyfeiriadedd ffibr mor bwysig wrth ddylunio tiwbiau ffibr carbon?

Mae priodweddau mecanyddol tiwbiau ffibr carbon yn dibynnu i raddau helaeth ar gynllun strwythurol ei ffibrau mewnol, ffactor sy'n aml yn fwy pendant na phriodweddau cynhenid ​​y deunydd. Oherwydd bod ffibr carbon yn gynhenid ​​yn ddeunydd atgyfnerthu unegaidd - sy'n darparu'r cryfder a'r anystwythder mwyaf ar hyd yr echelin ffibr yn unig - trwy ddylunio'r "dilyniant pentyrru" yn rhesymegol, gall gyflawni perfformiad strwythurol ymhell uwchlaw perfformiad deunyddiau metelaidd o dan amodau gweithredu penodol.

Mewn tiwbiau ffibr carbon perfformiad uchel nodweddiadol, mae peirianwyr yn defnyddio onglau gwahanol i gydbwyso gwahanol rymoedd.

Gosodiad 0 gradd: wedi'i drefnu ar hyd cyfeiriad echelinol y tiwbiau, mae'n bennaf yn darparu anystwythder hydredol (modwlws Young) a chryfder tynnol i wrthsefyll plygu a llwythi tynnol echelinol.90 gradd layup (haen cylchedd): Wedi'i ddosbarthu ar hyd y cylchedd, mae'n gwella'r ymwrthedd i anffurfiad rheiddiol, yn atal y pwysau mewnol ac yn atal y pwysau o dan "elliptig", yn atal y pwysau mewnol ac yn lleihau'r pwysau o dan "elliptic". cynhwysedd.±45 gradd gosod: Mae'r haen hon yn cario llwythi cneifio a dirdro ac mae'n haen allweddol ar gyfer sicrhau cryfder torsional a chryfder cneifio. Bydd absenoldeb yr ongl hon yn cynyddu'r risg o fethiant torsiynol yn sylweddol.

Yn ei hanfod, mae dyluniad tiwbiau ffibr carbon perfformiad uchel yn fasnach ysgafn rhwng cyfrannau a dilyniannau'r gwahanol gyfeiriadau ffibr a grybwyllwyd uchod, sydd fel arfer yn ffurfio gallu technolegol craidd cwmni. Er enghraifft, mae strwythurau braich robotig yn dibynnu'n helaeth ar gyfran uchel o osodiadau 0 gradd i wella anystwythder, tra bod angen gosodiadau ±45 gradd ar gydrannau siafftiau gyrru i wneud y gorau o berfformiad dirdynnol.

Mae astudiaethau wedi dangos y gall hyd yn oed gwyriad bach o'r cyfeiriadedd ffibr o'r ongl ddylunio (dim ond tua 5 gradd) leihau perfformiad strwythurol cyffredinol hyd at 15%, gan roi gofynion uchel iawn ar drachywiredd gosod yn ystod gweithgynhyrchu. Felly, mae prosesau dirwyn i ben prepreg a ffibr yn gofyn am reolaeth ongl llym.

Ar ben hynny, mae cymesuredd y strwythur gosod yr un mor hanfodol. Mae gosodiadau anghymesur yn dueddol o greu straen thermol gweddilliol yn ystod halltu ac oeri, gan arwain at ysbeilio neu droelli cydrannau. Er mwyn mynd i'r afael â hyn, mae gweithgynhyrchwyr arbenigol fel arfer yn defnyddio dadansoddiad elfennau meidraidd (FEA) i efelychu'r broses ddylunio a halltu gosod, rhagfynegi ac optimeiddio dosbarthiad straen cyn cynhyrchu gwirioneddol i sicrhau bod y cynnyrch terfynol yn bodloni'r gofynion llym ar gyfer cywirdeb dimensiwn a sefydlogrwydd strwythurol mewn cymwysiadau pen uchel megis awyrofod.

Sut mae'r dewis o fatrics resin yn effeithio ar wrthwynebiad gwres a gwrthiant cemegol tiwbiau ffibr carbon?

Mewn systemau cyfansawdd ffibr carbon, mae'r ffibrau'n ysgwyddo'r swyddogaeth cynnal llwyth sylfaenol, tra bod y matrics resin yn gyfrifol am fondio'r ffibrau yn effeithiol a darparu amddiffyniad amgylcheddol. Felly, mae perfformiad gwasanaeth tiwbiau ffibr carbon o dan amodau eithafol megis tymheredd uchel neu gyrydiad cryf yn dibynnu i raddau helaeth ar briodweddau cemegol a thermol y system resin. Mewn cymwysiadau diwydiannol, systemau resin epocsi yw'r rhai mwyaf cyffredin, sy'n arddangos bondio rhyngwyneb rhagorol â ffibrau carbon tra hefyd yn meddu ar briodweddau mecanyddol uchel a sefydlogrwydd thermol da. Fodd bynnag, ar gyfer gofynion gweithredol penodol, gellir dewis systemau resin wedi'u targedu'n fwy swyddogaethol.

Resinau ester cyanate:Mae ganddynt anweddolrwydd hynod o isel (rhyddhau nwy isel) a sefydlogrwydd dimensiwn rhagorol, gan eu gwneud yn arbennig o addas ar gyfer amgylcheddau awyrofod sy'n mynd trwy feicio tymheredd difrifol.

Resin ffenolig:Mae ganddo briodweddau gwrth-fflam ardderchog a mwg isel a gwenwyndra isel, ac fe'i defnyddir yn eang mewn senarios â gofynion diogelwch tân llym, megis tu mewn awyrennau a llwyfannau alltraeth.

Resinau thermoplastig (fel PEEK a PPS):Yn wahanol i systemau thermosetting traddodiadol, gellir eu toddi a'u prosesu dro ar ôl tro, ac mae ganddynt wrthwynebiad effaith ardderchog a gwrthiant cyrydiad cemegol. Fodd bynnag, mae eu proses fowldio yn gymhleth ac mae angen offer uwch a rheolaeth prosesau arnynt.

Un o baramedrau allweddol system resin yw'r tymheredd pontio gwydr (Tg), sy'n pennu tymheredd gwasanaeth uchaf y deunydd. Pan fydd tymheredd y gwasanaeth yn uwch na'r Tg, mae'r resin yn meddalu, gan arwain at ostyngiad sylweddol yn y gallu i drosglwyddo llwyth rhwng ffibrau, sydd yn ei dro yn achosi diraddio perfformiad strwythurol neu fethiant hyd yn oed. Yn nodweddiadol, mae ystod Tg o diwbiau ffibr carbon safonol sy'n seiliedig ar epocsi tua 120 gradd i 180 gradd; ar gyfer amgylcheddau tymheredd uwch, mae angen addasu'r system resin a gwneud y gorau o'r broses halltu i gynyddu'r Tg i sicrhau cywirdeb strwythurol.

Yn ogystal â phriodweddau thermol, mae'r matrics resin hefyd yn gweithredu fel rhwystr cemegol hanfodol. Mewn amgylcheddau garw fel meysydd olew a nwy alltraeth, mae angen i diwbiau ffibr carbon wrthsefyll erydiad dŵr môr hirdymor ac effeithiau cemegol cyfryngau hydrocarbon. Gall y matrics resin trwchus iawn atal lleithder rhag treiddio i'r rhyngwyneb ffibr / matrics yn effeithiol, a thrwy hynny atal mecanweithiau methiant megis amsugno capilari a delaminiad interlaminar, gan wella'n sylweddol wydnwch a dibynadwyedd gwasanaeth y strwythur.

Cymwysiadau diwydiannol otiwbiau ffibr carbon

Mae amlbwrpasedd tiwbiau ffibr carbon wedi arwain at ei gymhwyso'n eang mewn amrywiol feysydd. Mewn awyrofod, fe'i defnyddir i gynhyrchu fframiau ffiwslawdd a spars adenydd. Yn y maes meddygol, mae ei briodweddau trawsyrru pelydr-X yn ei wneud yn ddelfrydol ar gyfer cynhyrchu tablau delweddu a phrosthesis. Mewn awtomeiddio diwydiannol, mae cymhareb pwysau rhagorol-i-nerth tiwbiau ffibr carbon yn caniatáu i freichiau robotig gyflawni cyflymder symud cyflymach gyda defnydd is o ynni a llai o syrthni. At hynny, yn y sector ynni, defnyddir tiwbiau ffibr carbon ar gyfer atgyfnerthu llafn tyrbinau gwynt a gweithgynhyrchu olwynion hedfan cyflym.

Casgliad

Mae cynhyrchu tiwbiau ffibr carbon yn gydlyniad cain rhwng cemeg, ffiseg a pheirianneg fecanyddol. Trwy feistroli prosesau gweithgynhyrchu tiwbiau ffibr carbon cryfder uchel a deall y gwahaniaethau cynnil mewn cyfeiriadedd ffibr a dewis resin, gall gweithgynhyrchwyr gynhyrchu cydrannau sy'n gwthio terfynau peirianneg fodern. Wrth i gymwysiadau diwydiannol tiwbiau ffibr carbon barhau i ehangu, bydd y ffocws yn symud i resinau cynaliadwy a chylchoedd cynhyrchu cyflymach. Fodd bynnag, bydd egwyddor graidd y gymhareb pwysau i{5}}gryfder tiwbiau ffibr carbon yn parhau i fod yn feincnod ar gyfer mesur rhagoriaeth deunyddiau.

Cysylltwch â ni

Os hoffech ddysgu mwy am y broses weithgynhyrchu tiwbiau ffibr carbon, cysylltwch â ni yn sales18@julitech.cn. Mae croeso i chi hefyd ymweld â'n ffatri, a leolir yn Dongguan, Tsieina, mewn lleoliad cyfleus ger y maes awyr. Mae gennym bob un o'r tair proses weithgynhyrchu a 20 o beiriannau cynhyrchu.

Cyfeiriadau

Daniel, IM, & Ishai, O. (2006). Mecaneg Peirianneg Deunyddiau Cyfansawdd. Gwasg Prifysgol Rhydychen. Dadansoddiad manwl o gyfeiriadedd ffibr a'i effaith ar berfformiad.

Mallick, PK (2007). Ffibr{4}}Cyfansoddion Atgyfnerthedig: Deunyddiau, Gweithgynhyrchu a Dylunio. Gwasg CRC. Testun sylfaenol ar gyfer deall proses pultrusion tiwb ffibr carbon.

Sussex, C. (2005). Cyfansoddion wedi'u hatgyfnerthu â ffibr mewn adeiladu awyrennau. Cynnydd mewn Gwyddorau Awyrofod. Mae'r astudiaeth hon yn amlinellu'r trawsnewidiad o diwbiau ffibr metel i ffibr carbon wrth ddylunio ffiwsiau.