EN
Suprantama Angliavandenilio audinys Sudėtis
Pradinės medžiagos: Nuo polimerių iki angles
Anglies pluošto medžiaga prasideda su gana geromis žaliavomis, daugiausiai poliakrilonitrilu arba trumpai PAN, kartu su derva. Svarbiausia yra tai, iš ko gaminami šie pluoštai, nes tai nulemia galutinio produkto savybes. Daugiausiai anglies pluošto rinkoje yra gaminama iš PAN žaliavos, kuri sudaro apie 90 % visos produkcijos. Likę 10 %? Tai yra ta dalis, kur naudojama derva ir senamadiškė celiuliozė. Kai gamintojai renkasi pradinę medžiagą, jos kokybė daro milžinišką skirtumą tokiose savybėse kaip medžiagos stiprumas, kietumas po apdorojimo, ar atsparumas karščiui. Šių pradinių komponentų atranka turi milžinišką poveikį galutiniam rezultatui įvairiose srityse.
Iš esmės, polimerus verčiant į anglį, svarbu kruopščiai atlikti kiekvieną žingsnį. Paimkime pavyzdžiui karbonizavimą. Gaminant anglies pluoštus iš PAN (poliakrilonitrilo), gamintojai medžiagą kaitina labai aukštoje temperatūroje be deguonies. Šis procesas iš esmės „sudegina“ viską, kas nėra anglis, tuo pačiu išlaikydamas būtent tas savybes pluoštuose, kurias pageidaujame. Po tokio intensyvaus apdorojimo seka dar vienas apdorojimo etapas, kai pluoštai yra apdorojami ir kalibruojami, kad geriau laiptų kartu, kuomet yra pyniami į audinį. Ir štai kas dar įdomu: jei pradinė medžiaga nėra aukštos kokybės, visa tolesnė gamyba žlugta. Todėl rimti gamintojai reikalauja naudoti tik aukštos kokybės žaliavas visuose gamybos etapuose. Geresnės žaliavos reiškia stipresnius ir patikimesnius angliavandenilio audinys galų gale.
Vaidmuo Anglies Vlaksnio Audinas Struktūra
Tai, kaip yra sukonstruota anglies pluošto medžiaga, iš esmės nulemia jos mechaninę naudą ir sritis, kur ji gali būti panaudojama. Išskiriame tris pagrindines rūšis: vienkryptį, audinį ir neaudinį variantus, kurių kiekviena turi savo savybių, tinkančių konkrečioms paskiroms. Vienkryptėje anglies pluošto medžiagoje visi labai stiprūs pluoštai išdėstyti tik viena kryptimi. Tai suteikia puikią stiprybę i menti tąja kryptimi, tačiau jei reikia stiprybės keliomis kryptimis, teks sluoksniuoti kelias skirtingas orientacijas. Audiniai tą savybę stiprina dar labiau – pluoštai yra perkarstomi įvairiais modeliais, tokiais kaip paprastas, dvigubas ar net atlaso audinys. Tai sukuria medžiagą, kuri puikiai atlaiko apkrovas iš dviejų krypčių vienu metu, be to, atrodo labai patraukliai – ją galima pamatyti lėktuvų išorėse arba sportinių automobilių korpusuose.
Pagal tai, kaip yra sukonstruota medžiaga, iš tikrųjų priklauso nuo jos stiprumo ir lankstumo, kaip nustatė mokslininkai per ilgą laiką. Paimkime, pavyzdžiui, audinius – jie turi siūlus, einančius skirtingomis kryptimis, todėl jie turi gerą balansą tarp stiprumo ir lankstumo. Tai leidžia juos naudoti sudėtingoms formoms, reikalingoms, pvz., lėktuvų dalių ar automobilio komponentų gamybai. Kita vertus, kai reikia maksimalaus stiprumo konkrečioje kryptimi, kaip kai kuriose aviacijos detalėse, geriausiai tiks veiksmingos vienkryptės struktūros. Pasirinkti tinkamą anglies pluošto medžiagos tipą – tai ne tik pasirinkti kažką, kas atrodo tinkama popieriuje. Skirtingiems sektoriams reikia skirtingų našumo savybių, todėl svarbu tinkamai pasirinkti, kad tai turėtų įtakos tiek gamybos kaštams, tiek galutinio produkto kokybei daugelyje sektorių.
Carbono audinio gamybos procesas
Priekabinių medžiagų ir oksidacijos
Karbono pluošto gamyba prasideda pasiruošiant tinkamoms pradinėms medžiagoms, tai yra labai svarbu, kad pluoštai būtų stabilūs, kai vėliau vyks oksidacija. Dažniausiai gamintojai naudoja arba PAN (poliakrilonitrilo sutrumpinimas) arba pėdą kaip bazinę medžiagą. Šioms medžiagoms reikia nemažai paruošimo darbų, kol jos virsta tikrais karbono pluoštais. Visa procesas apima tai, ką vadiname oksidacija, kur tam tikri cheminiai reikalai padeda užtikrinti, kad viskas išliktų vietoje per kitus žingsnius, susijusius su karbono gavyba. Tai, kas vyksta čia, iš esmės yra paprasta – bet kokie atomai, kurie nėra anglis, tiesiog pašalinami, palikiant stiprią anglies struktūrą. Paprastai naudojami metodai yra medžiagos apdorojimas ozono dujomis arba tiesiog palikimas įprastoje aplinkoje, kontroliuojant tikslų kiekvieno žingsnio trukmę, kad galutinis produktas gerai veiktų ir nesugriūtų pernelyg greitai.
Anglėjimas ir grafityzavimas
Stabilizavus, pluoštai patenka į karbonizavimo procesą, kurio metu jie yra įkaitinami iki labai aukštos temperatūros, kad būtų paversti tikru anglis. Tai vyksta tarp maždaug 1000 laipsnių Celsijaus ir net 3000 laipsnių Celsijaus. Esant tokiai ekstremaliai aukštai temperatūrai, daugelis neanglies medžiagų sudeginamos, paliekant beveik gryną anglių pluoštą. Kai kurie pluoštai gali būti dar kartą apdorojami grafitavimo procese, kai jie įkaitinami dar karščiau nei 3000 laipsnių. Papildomas įkaitinimas sukelia tam tikrus struktūrinius pokyčius medžiagoje, kurie daro ją stipresne ir atkesne. Viso šio proceso sėkmė labai priklauso nuo kiekvieno etapo griežto kontroliavimo. Jei gamintojai sugadins bet kurią temperatūrai jautrią dalį, tai gali smarkiai paveikti galutinio anglies pluošto medžiagos kokybę.
Sudarymo technikos angliavirvių audiniui
Anglies pluošto audinio nėrimas būna kelių skirtingų formų, kiekviena sukuriama tam tikroms paskatoms ir medžiagos savybėms. Pagrindiniai tipai yra paprastasis, stulpelinis ir atlaso nėrimas, kiekvienas suteikiantis unikalius privalumus, kalbant apie lankstumą, atsparumą ir bendrą stiprumą. Paprastasis nėrimas suteikia gana vienodas mechanines savybes visose kryptims. Stulpelinis nėrimas daro medžiagą lankstesnę, todėl gamintojai dažnai jį renkasi sudėtingoms formoms ir detalėms. Atlaso nėrimas išsiskiria dėl labai lygių paviršių ir leidžia medžiagai lengvai lankstytis, todėl jis tinka ten, kur svarbiausia išvaizda. Pramonės tyrimai rodo, kad tinkamo nėrimo pasirinkimas gali daugeliu atvejų paveikti tiek gamybos kaštus, tiek galutinio produkto naudingumą, todėl įmonės skiria daug laiko, kad išsiaiškintų, kuris nėrimo tipas geriausiai atitinka jų poreikius.
Vienakryptis vs uždirbtas anglies plieno stiliai
Pagrindinė skirtumą tarp vienkryptės ir audytos anglies pluošto plokščių sudaro jų konstrukcija ir naudojimo galimybės. Vienkryptėse plokštėse visi anglies pluošto siūlai eina tiesiai viena kryptimi, todėl jie turi puikią stiprumą ir standumą išilgai tos krypties. Dėl to jos tinka naudoti, pavyzdžiui, lėktuvų dalyse, kurios turi atlaikyti stiprią jėgą tik iš vienos krypties. Tuo tarpu audytoje anglies pluošto medžiagoje tie patys siūlai yra supinti įvairiais kampais, dažniausiai 0/90 laipsnių arba net 45 laipsnių kryžminėmis struktūromis. Tokia konstrukcija leidžia medžiagai atlaikyti apkrovas iš įvairių krypčių. Automobilių pramonė mėgsta naudoti šią medžiagą automobilių korpusams, kuriems reikia stiprumo tiek išilgai, tiek skersai. Taip pat jūrų laivų kūrėjai daug naudoja audytą anglies pluoštą, nes jų valčių konstrukcijos susiduria su bangomis, atsiveržiančiomis iš visų krypčių.
Šie skirtingi stiliai taip pat turi gana ryškias mechanines savybes. Nagrinėdami vienkryptes plokštes, pastebime, kad jos daugiausiai pasižymi stipriu atsparumu tempti ir lankstyti pagal pluošto kryptį. Tai leidžia jas naudoti situacijose, kai reikia maksimalaus atsparumo konkrečioje kryptimi. Tačiau čia yra viena bėda – jos tampa daug silpnesnės, jei jėga veikia iš šonų ar įstrižai. Pintosios plokštės papasakoja kitą istoriją. Jos neturi tokios jėgos vienoje kryptimi, tačiau tai, ko trūksta tiesiaeigėms, kompensuojama subalansuota našumu keliomis kryptimis. Toks universalumas padeda geriau atlaikyti įvairius apkrovimus. Dauguma patyrusių inžinierių renkasi vienkryptes medžiagas konstrukcijoms, kurioms reikia išskirtinio stiprumo konkrečiose linijose, tuo tarpu pintos medžiagos paprastai yra naudingesnės, kai taikymas susijęs su neprognozuojamomis apkrovomis, kurios veikia iš kelių krypčių vienu metu.
Hibridiniai audiniai su anglies vamzdžiu dėmeniu
Anglies pluošto klijai naudojami hibridinės medžiagos vis labiau svarbėja pažengusioje gamyboje. Šios medžiagos sujungia anglies pluoštą su kitomis medžiagomis, kad būtų padidintos bendros našumo charakteristikos. Naujausios klijų technologijos leidžia geriau suklijuoti anglies pluoštą su įvairiomis pagrindo medžiagomis, todėl galutinis produktas gali išlaikyti didesnę apkrovą ir tolygiau paskirstyti svorį. Anglies pluošto klijų vertė daroma įtaka gamybos kaštams ir efektyvumui. Jie leidžia kur kas paprasčiau integruoti anglies pluoštą į sudėtingas medžiagų struktūras gamybos procese. Toks supaprastintas metodas leidžia inžinieriams kurti kompozitines medžiagas, kurios išlaiko nepaprastą stiprumą, kartu išliekant nepaprastai lengvomis. Tokios savybės jas daro idealiai tinkamomis naudoti aviacijos komponentuose, kur svorio mažinimas tiesiogiai lemia kuro sąnaudų mažėjimą.
Aerospace ir automobilių gamintojai pradėjo naudoti hibridinius audinius, nes jie suteikia geresnius rezultatus nei tradicinės medžiagos. Lėktuvams ir kosminėms technologijoms šios kompozitinės medžiagos išsiskiria dėl nepaprastos jų stiprumo, kartu būdamos pakankamai lengvos, kad nepridėtų nereikalingo svorio. Be to, jos atlaiko sunkias sąlygas, nesisklaidydamos laikui bėgant. Automobilių gamintojams jos yra vienodai vertingos, nes gali lankstytis be įtrūkimų ir geriau sugerti smūgius nei standartinės alternatyvos. Tai ypač svarbu kuriant saugesnius automobilius, kurie vis tiek turi atitikti griežtas kuro taupumo sąlygas. Eksperimentuojant su hibridinių audinių technologija vis daugiau įmonių įvairiose sektoriuose pasaulis mato realius patobulinimus – nuo lėktuvų dalių iki lenktyninių automobilių korpusų. Šių medžiagų universalumas leidžia inžinieriams dabar spręsti problemas, kurios prieš keletą metų atrodė neįmanomos.
Pagrindiniai anglies vlaksto audino savybės
Aukštas stiprumo prie svorio santykis
Kai kalbama apie stiprumo ir svorio santykį, anglies pluošto audinys išsiskiria lygmenyje su senamadiškomis medžiagomis, tokiose kaip plienas ir aliuminisis. Ką daro anglies pluoštą tokį ypatingą? Na, jis yra maždaug penkis kartus stipresnis nei plienas, tačiau sveria daug mažiau – tai, ką gamintojai mėgsta, kai reikia medžiagos, kuri būtų ir patikima, ir lengva. Laboratorijos ne kartą išbandė šią medžiagą ir nustatė, kad anglies pluoštas atlaiko apkrovas be papildomos masės. Ten, kur svarbu kiekvieną gramą, ši medžiaga tapo tikra permaina. Paimkime, pavyzdžiui, lėktuvus. Keisdami dalis į anglies pluošto kompozitus, avialinijos sumažina bendrą svorį, todėl sutaupo kuro ir skrenda ilgesnį atstumą tarp degalavimų. Ant žemės automobilių gamintojai taip pat pastebi panašius privalumus. Automobiliai, pagaminti naudojant anglies pluošto komponentus, dažnai praranda apie pusę pradinio svorio, o tai leidžia pagerinti kuro sąnaudas maždaug 35 %, kartu užtikrinant saugumą keleiviams. Šiuos duomenis patvirtina Energy.gov, nors faktiniai rezultatai gali skirtis priklausomai nuo medžiagos panaudojimo būdo.
Terminis ir elektrinis laidumas
Tai, kas išskiria anglies pluoštą, yra jo puikus šilumos laidumas lyginant su įprastomis izoliacinėmis medžiagomis. Daugelis izoliatorių veikia blokuodami šilumos perdavimą, tačiau anglies pluoštas iš tikrųjų veiksmingai perleidžia šilumą. Dėl šios priežasties jis tinka temperatūros valdymui situacijose, kai pasiekiamos labai aukštos temperatūros. Medžiaga nesiskaido net esant ilgam laikui veikiant stipriai šilumai, todėl gamintojai ją plačiai naudoja aviacijos, kosmoso technologijų ir pramonės srityse, kur svarbus temperatūros kontrolė. Kitas įdomus savybė yra jo elektros laidumas. Tai nėra tik teorinis reikalas. Elektronikos įmonės jau naudoja anglies pluoštą kuriant dalis, kurios turi perduoti elektrinę energiją neprarandant efektyvumo. Kai kurie praktiški tyrimai parodė, kad įtraukus anglies pluoštą į spausdintines plokštes ir jungiklius pagerėja signalo vientisumas ir sumažėja energijos kritimas visoje sistemoje.
Cheminis atsparumas ir ilgaamžiškumas
Anglies pluošto audinys išsiskiria dėl atsparumo visų rūšių pramoninėms cheminėms medžiagoms ir tirpikliams, todėl jis tampa ilgaamžiškesnis. Kai medžiagos atsispindi nuo chemikalų, jos paprastai tarnauja ilgiau ir ilgainiui sutaupo lėšų, ypač sunkiose sąlygose, kur įrangai nuolat tenka veikti agresyvios aplinkos. Statybos aikštelės ir gamyklų patalpose ši savybė ypač naudinga, nes ten įrenginiai nuolat veikiami agresyvių medžiagų. Tyrimai parodė, kad anglies pluoštas išlaiko savo formą ir stiprumą net esant labai korozinėms sąlygoms. Sujungus šią cheminę atsparumą su dideliu stiprumu ir atsparumu karščiui, tampa aišku, kodėl vis daugiau pramonės šakų renkasi anglies pluošto audinį tiems projektams, kuriuose reikia, kad medžiagos išliktų patikimos metų metus.
