Чому труби з вуглецевого волокна такі легкі? Зрозумійте причину їх низької щільності

Чому труби з вуглецевого волокна такі легкі?

Трубки з вуглецевого волокна широко використовуються в аерокосмічних конструкціях, каркасах БПЛА, роботах, вудках, опорах для камер, медичному обладнанні, автоматизованому обладнанні, спортивному обладнанні та інших сферах застосування, де вага конструкції має значення. Їх популярність пояснюється поєднанням низької щільності, високої жорсткості, високої міцності на розрив, стійкості до корозії та здатності пристосовувати орієнтацію волокон до напрямку прикладених навантажень.

Але чому труби з вуглецевого волокна такі легкі? Відповідь не просто в тому, що вуглецеве волокно «легше за метал». Легка вага труби з вуглецевого волокна є результатом взаємодії між щільністю матеріалу, геометрією труби, орієнтацією волокна, об’ємною часткою волокна, вмістом смоли та технологією виробництва.

Типове -вуглецеве волокно високої міцності, таке як Toray T700S, має щільність волокна 1,80 г/см³, міцність на розтяг 4900 МПа, модуль пружності на розтяг 230 ГПа та діаметр нитки приблизно 7 мкм. Toray також повідомляє про нормалізовані властивості композиту T700S/епоксидної смоли при 60% об’єму волокна, включаючи міцність на розрив 2 860 МПа та модуль міцності на розтяг 134 ГПа.

Ці цифри допомагають пояснити, чому труби з вуглецевого волокна можуть досягти високої структурної ефективності, не вимагаючи маси, яка притаманна традиційним металам.

Однак існує важлива відмінність: вуглецеве волокно є арматурою, тоді як труба з вуглецевого волокна зазвичай є композитною структурою. Готова трубка містить вуглецеві волокна, полімерну смолу та іноді додаткові матеріали поверхні або серцевини. Отже, його кінцева щільність і механічні характеристики залежать від повної конструкції виробництва.

У наступних розділах розглядається наукова основа легких труб з вуглецевого волокна, пояснюється відповідна інженерна термінологія, порівнюється трубка з вуглецевого волокна зі звичайними металами та обговорюються практичні проблеми виробництва та рішення.

Яка щільність труб з вуглецевого волокна?

Щільність є відправною точкою для розуміння легких матеріалів. У техніці щільність визначається як маса на одиницю об’єму: ρ=m / V, де ρ – густина, m – маса, а V – об’єм. Матеріал з меншою щільністю містить меншу масу в тому самому об’ємі. Вуглецеве волокно є особливо привабливим, оскільки комерційні волокна зазвичай мають щільність близько 1,75–1,90 г/см³, залежно від сорту та структури. T700S Toray є корисним промисловим довідником. Його опублікована щільність волокна становить 1,80 г/см³, а міцність на розрив становить 4900 МПа, а модуль пружності на розтяг — 230 ГПа. Опубліковані Hexcel дані щодо вуглецевого-волокна PAN також демонструють, що високо{15}}вуглецеві волокна зазвичай залишаються близькими до цього діапазону щільності. Наприклад, його технічні дані вказують AS4 близько 1,79 г/см³, IM7 близько 1,80 г/см³ і HM63 близько 1,76 г/см³.

Для порівняння, звичайні конструкційні матеріали мають значно різну щільність.

Для готової труби з вуглецевого волокна інженерам не слід просто копіювати щільність волокна з таблиці даних вуглецевого волокна. Трубка також містить смолу.

Отже, остаточна щільність труби залежить від:

• Сорт вуглецевого волокна
• Щільність смоли
• Об'ємна частка клітковини
• Недійсний вміст
• Орієнтація волокна
• Товщина стінки труби
• Процес виготовлення
• Поверхневі покриття
• Вставки або додаткові матеріали

Ця відмінність особливо важлива при порівнянні труб з вуглецевого волокна низької щільності з алюмінієвими або сталевими трубами. Правильне порівняння має відбуватися між готовими компонентами з еквівалентними структурними вимогами-, а не лише між сирим волокном і металом.

Чому трубчаста форма робить труби з вуглецевого волокна ще-ефективнішими?

Друга причина, чому труби з вуглецевого волокна легкі, це їхня геометрія. Труба не обов’язково повинна містити твердий матеріал у всьому поперечному-перерізі. Натомість більша частина його структурного матеріалу розташована по зовнішньому периметру, створюючи високий другий момент площі, який також називають моментом інерції площі. Це геометрична властивість, яка описує, наскільки ефективно поперечний-переріз розподіляє матеріал відносно осі згину. Для вигину переміщення матеріалу далі від нейтральної осі може значно збільшити жорсткість на вигин без пропорційного збільшення маси.

Це пояснює, чому труби широко використовуються в таких структурах, як:

• Озброєння БПЛА
• Велосипедні рами
• Роботизовані посилання
• Стріли камери
• Телескопічні палиці
• Вудочки
• Аерокосмічні конструктивні елементи
• Привідні вали Промислові ролики

Як орієнтація волокон робить труби з вуглецевого волокна міцними, не роблячи їх важкими?

Третя основна причина — орієнтація волокон. Вуглецеве волокно дуже анізотропне. Це означає, що його механічні властивості змінюються залежно від напрямку. T700S Toray ілюструє різницю між волоконно-рівнем і поперечною поведінкою композиту. Волокно має міцність на розрив 4900 МПа та модуль пружності 230 ГПа, тоді як нормалізований 60%-волокон-об’ємний епоксидний композит має міцність на розрив 0 градусів 2,860 МПа та модуль розтягування 134 ГПа. Причиною такої спрямованості є орієнтація вуглецевих волокон. Трубка, що піддається головному осьовому натягу, отримує перевагу від волокон, орієнтованих близько до 0 градусів, паралельно осі труби. Труба, яка піддається скрученню, потребує значного посилення на ±45 градусів, оскільки ці волокна ефективно сприймають напруги зсуву. Посудина під тиском може вимагати посилення-з орієнтацією на кільце, оскільки окружне напруження стає важливим.

Таким чином, практична труба з вуглецевого волокна може мати різні орієнтації:

• 0 ступінь: осьова жорсткість і міцність на розрив
• ±45 градусів: характеристики кручення та зсуву
• 90 градусів: поперечна стійкість і підсилення кільця
• Гібридні схеми: збалансуйте кілька варіантів навантаження

Це головна відмінність від звичайних ізотропних металів. Сталева труба зазвичай має відносно однакові властивості в різних напрямках. Трубу з вуглецевого волокна можна сконструювати таким чином, щоб посилення було зосереджено там, де фактично виникають навантаження.

Яке співвідношення міцності-до-ваги труб з вуглецевого волокна порівняно з алюмінієвими та сталевими?

Співвідношення міцності-до-ваги є одним із найважливіших понять у конструюванні легких конструкцій. Технічний термін — це питома міцність, яка зазвичай виражається як міцність на розрив, поділена на щільність. Аналогічний параметр, питома жорсткість, порівнює модуль Юнга з щільністю. На прикладі волокна T700S від Toray: міцність на розрив=4,900 МПа Щільність=1.80 г/см³ Модуль пружності на розтяг=230 ГПа Ці властивості створюють дуже високий-рівень питомої міцності та питомої жорсткості волокна. Але інженерам слід бути обережними, проводячи прямі порівняння. Труба з вуглецевого волокна — це ламінований композит, тоді як алюмінієва або сталева труба — це, як правило, ізотропна металева структура. Остаточні характеристики залежать від товщини стінки, діаметра, виробничого процесу, з’єднань, місцевого вигину, стійкості до ударів і напрямку навантаження.

Дослідження DOE визначають композити з вуглецевого волокна як один із передових легких матеріалів, здатних істотно зменшити масу. Його програма з транспортування матеріалів оцінює, що композити з вуглецевого волокна можуть зменшити вагу деяких компонентів приблизно на 50–70%, а також відзначають вартість, з’єднання, моделювання та переробку як важливі бар’єри. Міністерство енергетики також стверджує, що зменшення ваги автомобіля на 10% може призвести до покращення економії палива приблизно на 6–8%, хоча фактичні результати-на рівні системи залежать від конструкції автомобіля та умов експлуатації.

Це демонструє, чому легкі труби з вуглецевого волокна цінні не тільки самі труби. Зменшення маси рухомої роботизованої руки, стріли БПЛА, приводного валу або аерокосмічної конструкції може зменшити навантаження на інші компоненти.

Наприклад, легша роботизована ланка може зменшити вимоги до приводу. Більш легка стріла БПЛА може зменшити структурну масу, яку потрібно постійно піднімати. Більш легкий обертовий вал може зменшити інерцію обертання. Тому справжньою перевагою труб із вуглецевого волокна часто є зменшення маси-на рівні системи, а не просто полегшення одного компонента.

Чому труби з вуглецевого волокна можуть бути легкими без втрати жорсткості?

Зменшення ваги часто викликає занепокоєння: якщо трубка стане тоншою, чи стане вона занадто гнучкою? Відповідь залежить від того, чи контролюється конструкція міцністю чи жорсткістю. Міцність стосується того, чи може компонент витримати прикладене навантаження без поломки. Жорсткість стосується того, наскільки деформується компонент під цим навантаженням.

Для багатьох труб з вуглецевого волокна необхідну товщину стінки визначає жорсткість, а не межа міцності на розрив.

Це особливо важливо для:

• Роботизовані руки
• Стріли БПЛА
• Опорні труби камери
• Компоненти прецизійних машин
• Телескопічні конструкції
• Опори антени
• Оптичне обладнання
• Обладнання автоматизації

Компонент може мати достатню міцність на розрив, але все одно сильно прогинатися. Наприклад, у роботизованій руці надмірне відхилення може знизити точність позиціонування, навіть якщо труба не наближається до свого навантаження на руйнування. Тому високий модуль пружності вуглецевого волокна може бути надзвичайно цінним. Toray повідомляє, що модуль пружності волокна T700S становить 230 ГПа, а нормалізований модуль міцності на розтяг 134 ГПа при 60% об’єму волокна. Технічна анотація - Модуль Юнга: модуль Юнга вимірює пружну жорсткість. Вищий модуль, як правило, означає меншу пружну деформацію за певної напруги в межах пружного діапазону матеріалу. Однак жорсткість труби не визначається тільки модулем.

Це також залежить від:

• Діаметр труби
• Товщина стінки
• Геометрія поперечного-перерізу
• Орієнтація волокна
• Умови підтримки
• Довжина труби
• Напрямок навантаження

Отже, збільшення зовнішнього діаметра іноді може покращити жорсткість на вигин ефективніше, ніж просто збільшення товщини стінки. Це одна з причин, чому тонкостінні труби з вуглецевого волокна великого-діаметра- стають все більш привабливими для застосування в легких конструкціях. Розробник може використати як високу питому жорсткість матеріалу, так і геометричну ефективність трубчастого-перерізу.

Як виготовляються легкі труби з вуглецевого волокна?

Виробничий процес сильно впливає на кінцеву вагу та механічні властивості труб з вуглецевого волокна. Широко використовуються кілька технологій виготовлення.

1. Пультрузія Пультрузія безперервно протягує вуглецеві волокна через систему смол і нагріту формувальну матрицю.

Він особливо підходить для:

• Прямі вудки
• Труби
• Профілі
• Конструкційні балки
• Безперервне виробництво

Пультрузія може створити дуже узгоджені поперечні-перерізи та міцну поздовжню арматуру.

2. Намотування нитки Намотування нитки розміщує безперервні просочені смолою-волокна навколо оправки під контрольованими кутами.

Він особливо підходить для:

• Труби
• Посудини під тиском
• Привідні вали
• Циліндричні конструкції

Кут намотування можна оптимізувати відповідно до осьового, кільцевого та крутильного навантажень.

3. Обгортання рулонів Для обгортання рулонів використовується препрег або тканина з вуглецевого волокна, намотана навколо оправки.

Його зазвичай використовують для:

• Труби з вуглецевого волокна
• Телескопічні труби
• Спортивний інвентар
• Стовпи камери
• Промислові конструкційні труби

Висновок

Труби з вуглецевого волокна легкі, тому що вуглецеве волокно має низьку щільність, забезпечуючи чудову міцність і жорсткість. Їх порожниста структура додатково зменшує непотрібний матеріал без шкоди для структурних характеристик. Оптимізувавши орієнтацію волокна та конструкцію труби, виробники можуть досягти високого співвідношення міцності-до-ваги. Ці переваги роблять трубки з вуглецевого волокна ідеальними для безпілотних літальних апаратів, робототехніки, аерокосмічної техніки, спортивного обладнання, засобів автоматизації та інших легких конструкцій.

Зв'яжіться з нами

Шукаєте легку високо-трубу з вуглецевого волокна для свого проекту? Ми пропонуємо індивідуальні розміри, форми, обробку поверхні та орієнтацію волокон для задоволення різноманітних потреб застосування. Зв’яжіться з нами сьогодні електронною поштою: sales18@julitech.cn або WhatsApp +86 18822947075, щоб отримати професійні матеріальні рішення, конкурентоспроможні ціни та швидку технічну підтримку. Розкажіть нам про свої потреби-ми допоможемо вам втілити ваші проекти в життя.

Список літератури

Toray Composite Materials America - TORAYCA™ T700S Carbon Fiber Data Sheet

Міністерство енергетики США - Легкі матеріали для автомобілів і вантажівок

Надає порівняльні технічні дані для T700S, T700G, T800H та інших марок вуглецевого волокна.