Многото вълнуващи употреби и приложения на композитите от въглеродни влакна

 

Какво представляват композитите от въглеродни влакна?

Композитните материали се състоят от усилващо влакно, капсулирано в полимерна смола. Съществуват редица състави на смоли и видове влакна, използвани в композитите, но въглеродните влакна се открояват като компонент, открит в много продукти с висока-производителност. В приложения, където намаляването на теглото при създаване на висока якост е с предимство, въглеродните влакна са изборът на армировка в много съвременни композитни структури.

 

Въглеродните влакна се намират в композитните структури навсякъде, където здравината и лекото тегло са предимство; може да се намери в висок{0}}клас спортни коли, състезателни коли, високо-мощни лодки, самолети и космически превозни средства, медицинско оборудване и оборудване за спортни стоки, включително ски, сноуборд, тенис ракети, стикове за голф и стотици други продукти.

 

Приложенията за композитни материали от въглеродни влакна нарастват с темпове, по-бързи от общата икономика, тъй като нуждата от леки усъвършенствани композитни структури нараства. Икономистите прогнозират значително увеличаване на възможностите за индустрията с напредването на технологиите и нарастването на приложенията. Интересувате ли се как композитите от въглеродни влакна създават продукти с висока-производителност или каква е ролята им за спестяване на енергия чрез-намаляване на теглото? Научете повече за употребата на въглеродни влакна и как да се включите в бъдещето на композитната технология.

 

Какво е въглеродни влакна?

Въглеродните влакна, известни още като графитни влакна, са здрав, лек материал, изработен от стотици отделни въглеродни нишки, които са осем пъти по-тънки от човешка коса. Нишките са съставени от въглеродни атоми, свързани заедно в дълги вериги. По тегло композитът от въглеродни влакна е пет пъти по-здрав от стоманата и два пъти по-твърд в резултат на високата си якост на опън.

Как се правят въглеродни влакна?

Въглеродните нишки започват с пластмаса на основата на акрил-, известна като полиакрилонитрил (PAN). Много{2}}стъпков процес започва чрез нагряване и предене на полиакрилонитрилните (PAN) влакна във влакна. След това тези нишки се нагряват до още по-високи температури от около 3000 F, подлагайки се на окисление и карбонизация, които премахват не-въглеродните елементи и подреждат въглеродните атоми в плътно-опаковани кристали. Получените въглеродни влакна след това получават повърхностна обработка, сглобяват се на снопове и се навиват на макари. След това тези влакна или се групират в по-големи снопове, известни като въглеродни "влакна", или се вплитат в тъкани.

 

Как се използват въглеродни влакна?

Нишките от въглеродни влакна или тъкани се насищат с полимерна смола, като епоксидна смола, и се оформят във форма. Втвърдената смола капсулира въглеродните нишки и създава твърда матрица в желаната форма на продукта. Комбинацията от матрицата от смола (епоксидна) и подсилващите влакна (въглерод) създава композитен материал. Отличителни черти на композитите, подсилени с въглеродни влакна, са леко тегло, твърдост и висока якост на опън.

 

Зората на въглеродните влакна

Историята на въглеродните влакна датира от края на 19 век, когато Томас Едисън използва въглеродни влакна като нишки за ранни експерименти с електрически крушки. Въпреки това едва през 50-те години на миналия век въглеродните влакна са произведени като материал с висока -якост.

Използването на въглеродни влакна като композитен компонент започва през 1958 г. Д-р Роджър Бейкън, Union Carbide, създава работещи въглеродни влакна чрез нагряване на нишки от коприна до около 3000 градуса F, докато се карбонизират. Този процес е предшественик на модерния метод за производство на въглеродни влакна. През 60-те години на миналия век се наблюдава първото комерсиално производство на въглеродни влакна, използвайки процеса, разработен от Union Carbide. Потенциалът на въглеродните влакна като композитна армировка беше разпознат и Rolls Royce започна да ги включва в компоненти на реактивни двигатели.

През 70-те години на миналия век аерокосмическата индустрия допринесе за напредъка в композитните технологии и приложенията на въглеродните влакна станаха по-добре документирани и усъвършенствани. Надпреварата беше за прилагане на тази технология към конструкции, където намаляването на теглото и увеличаването на здравината бяха важни. Тъй като необработените въглеродни влакна струват повече от другите подсилени влакна, те се адаптираха към критични приложения, където цената беше второстепенна спрямо производителността.

През 80-те години на миналия век настъпи значителен тласък на композитите от въглеродни влакна, тъй като тези материали започнаха да си проправят път в индустрията за спортни стоки. Ските, сноубордовете, тенис ракетите, стикове за голф, щеки за риболов и рамки за велосипеди започнаха да включват компоненти от въглеродни влакна за тяхната лека и висока -якост. В търговския сектор автомобилната, моторната и морската индустрия започнаха да експериментират с въглеродни влакна, за да намалят теглото на автомобила и да подобрят производителността. Едновременно с това аерокосмическите и отбранителните приложения напредваха в инженерното ноу-хау за прилагането на композитни материали от въглеродни влакна в приложения с най-висока производителност.

До 1990 г. употребата на композитни материали от въглеродни влакна нараства, тъй като производителите намират начини да намалят разходите и да подобрят качеството на въглеродните влакна. Това доведе до по-широки приложения, включително в секторите на строителството и вятърната енергия.

Въглеродните влакна, като основен композитен материал, станаха масови през 2000-те години. Този материал вече не беше ограничен до-приложения от висок клас, а се използваше в широка гама индустрии, от потребителска електроника до инфраструктура. През следващите две десетилетия усъвършенстваните композитни материали бяха използвани в-приложения с все по-висок профил, като самолетите Boeing 787 и Airbus A350. Автомобилната индустрия възприе композитни-технологии, вдъхновени от моторните състезания, и лодките от висок клас от всички видове използват въглеродни композити като основни структури. Появата на инженерни инструменти като анализ на крайните елементи и изчислителна динамика на флуидите води до-нарастваща производителност и приложения за тези композитни материали.

 

Някои наистина страхотни приложения на въглеродни влакна

Днес приложенията за композити от въглеродни влакна се появяват редовно. Докато в миналото въглеродните влакна бяха екзотични и скъпи, сега можете да намерите въглеродни влакна в огромен набор от индустрии и продукти като:

 

морски

Композитите от въглеродни влакна са опората на високо-състезателните плавателни съдове от няколко десетилетия. Лодките за Купата на Америка са примери за извеждане на технологията до краен предел, със структури от въглеродни влакна, които съперничат на аерокосмическата конструкция. Производствените лодки все повече интегрират въглеродни влакна във вакуумна инфузия с цел производство на по-леки и по-бързи плавателни съдове.

 

Автомобилна

Въглеродните влакна се използват все повече в автомобилното производство. Тези материали за първи път намериха приложение във Формула 1 и колите на Инди, които бяха първите възприемащи космическата технология. След това премина към екзотични спортни-автомобили от висок клас и в момента си проправя път към серийните автомобили. „Олекотяването“ е основна цел на автомобилния дизайн за подобряване на производителността и намаляване на въздействието върху околната среда. NASCAR наскоро премина към композитни каросерии за автомобили от серията Cup. Тези нови каросерии се оказаха толкова здрави, че промениха стила на състезанията, защото автомобилите могат да понасят по-голяма злоупотреба.

 

Транспорт

Транспортната индустрия използва композитни компоненти от десетилетия за подобряване на аеродинамиката и икономията на гориво. Предстои революция в дизайна на тежки камиони, която ще включва значително подобрена аеродинамика и намалено тегло. Тези иновации се основават на композитни компоненти и дизайн за намаляване на аеродинамичното съпротивление. Изчислено е, че новите дизайни, направени с елегантни леки композитни компоненти, могат да доведат до спестяване на гориво от над 50 милиарда долара годишно.

 

Въздухоплавателни средства, космическо пространство и отбрана

Разглеждайки целия спектър от търговски самолети, военни самолети, ракети-носители и орбитални космически кораби, композитите от въглеродни влакна играят все по-важна роля за постигане на целите за ефективност. Композитното инженерство е добре развито в тези арени и текущите иновации се обявяват редовно. Огромни количества въглеродни влакна са разпределени за класифицирани военни и отбранителни проекти за напреднали технологии. В търговската сфера десетки електрически самолети с вертикално излитане (VTOL) току-що се сертифицират или са в процес на разработка. Всички тези нови самолети използват въглеродни композити като основен структурен материал.

 

Спортни стоки

Композитите от въглеродни влакна се намират в света на спортните стоки поради своята здравина и леко тегло. Това включва: стикове за хокей, тенис ракети, лъкове за стрелба с лък, стикове за голф и щеки за риболов, ски, сноуборд, уейкборд, кайтборд и фолио дъски. Всички използват въглеродни влакна заедно с черупки за гребане и велосипеди.

 

Лекарство

Медицинската област е друга индустрия, в която въглеродните влакна оказаха значително влияние през последните години. Въглеродните влакна са прозрачни в рентгеновите изображения, което е довело до използването им в широка гама от рентгеново и образно оборудване. Въглеродните влакна се използват и в протезите на крайниците, които са здрави, леки и удобни за носене и използване.