Copánky z uhlíkových vláken: co to jsou a proč se používají

Pokud jste někdy přemýšleli, proč může jeden kus uhlíkových vláken vypadat jinak než jiný, nejste sami. Uhlíkové vlákno přichází v mnoha různých vazbách, z nichž každá slouží jinému účelu a není pouze dekorativní.

Uhlíková vlákna jsou vyrobena z prekurzorů, jako je polyakrylonitril (PAN) a umělé hedvábí. Prekurzorová vlákna jsou chemicky ošetřena, zahřívána a natahována a poté karbonizována za vzniku vysoce pevných vláken. Tato vlákna nebo filamenty jsou pak spojeny dohromady a identifikovány podle počtu uhlíkových filamentů, které obsahují. Běžná hodnocení tažení jsou 3k, 6k, 12k a 15k. „K“ znamená tisíc, takže 3k koudel je vyrobena ze 3,000 uhlíkových vláken. Standardní 3k kabel je obvykle široký 0,125 palců, takže na malém prostoru je nacpané hodně vláken. 6k koudel má 6,{13}} uhlíkových vláken, 12k koudel má 12,000 uhlíkových vláken a tak dále. Velké množství vysoce pevných vláken svázaných dohromady dělá z uhlíkových vláken tak silný materiál.

 

výplet z uhlíkových vláken
Uhlíková vlákna často přicházejí ve formě tkaných látek, což usnadňuje práci a může poskytnout dodatečnou strukturální pevnost v závislosti na aplikaci. Proto mohou být tkaniny z uhlíkových vláken tkány mnoha různými způsoby. Nejběžnější jsou hladký, keprový a podvazkový satén a každému materiálu se budeme věnovat podrobně.

plátnová vazba
Hladké desky z uhlíkových vláken mají symetrický vzhled s malým šachovnicovým vzhledem. V této vazbě jsou prameny tkané nad/pod vzorem. Krátká vzdálenost mezi propletením dává plátnové vazbě vysoký stupeň stability. Stabilita tkaniny se týká schopnosti tkaniny udržet si svůj úhel vazby a orientaci vláken. Kvůli této vysoké úrovni stability je plátnová vazba méně vhodná pro vrstvení se složitými obrysy a nebude tak flexibilní jako některé jiné látky. Obecně lze říci, že tkanina v plátnové vazbě je vhodná pro ploché plechy, trubky a dvourozměrné křivky.

Jednou nevýhodou tohoto vzoru tkaní je to, že prameny jsou silně zkadeřeny kvůli krátké vzdálenosti mezi propletením (úhly, které vlákna vytvářejí při tkaní, viz níže). Silné krimpování vytváří koncentrace napětí, které časem oslabují součást.

Keprová vazba
Kepr je mostem mezi plátnovou vazbou a saténovou vazbou, o které budeme hovořit dále. Keprová tkanina má dobrou pružnost a může vytvářet složité obrysy. Je horší než podvazková saténová tkanina v udržení stability tkaniny, ale není tak dobrá jako tkanina s plátnovou vazbou. Pokud sledujete prameny koudele v keprové vazbě, prochází určitým počtem koudelů a poté stejným počtem koudelů. Vzor nahoru/dolů vytváří vzhled diagonální šipky, nazývané "keprová čára". Větší vzdálenost mezi proplétanými prameny znamená menší zkadeření a menší potenciální koncentrace napětí ve srovnání s tkaninami s plátnovou vazbou.

2×2 kepr je pravděpodobně nejznámější vazba z uhlíkových vláken v tomto odvětví. Používá se v mnoha kosmetických a dekorativních aplikacích, ale je také vysoce funkční, kombinuje střední tvárnost se střední stabilitou. Jak název 2×2 napovídá, každý vlek projde 2 vleky a poté zkříží oba vleky. Stejně tak se provlékne kepr 4×4 4 koudelemi a následně 4 koudelemi. Tvoří o něco lépe než kepr 2×2, protože vazba není tak těsná, ale je také méně stabilní.

postroj satén
Atlasová vazba byla navržena před tisíci lety, aby vytvářela hedvábné tkaniny s vynikajícím splývavým efektem a zároveň vypadaly hladce a bezešvě. U kompozitů tato splývavost znamená, že je lze snadno tvarovat a obalovat kolem složitých obrysů. Protože je tato tkanina vysoce tvarovatelná, očekává se, že její stabilita bude nízká. Mezi běžné saténové vazby nitěnky patří 4-satén (4HS), 5-satén (5HS) a 8-satén (8HS). Se zvyšujícím se množstvím saténové vazby se zvyšuje tvarovatelnost, zatímco stabilita tkaniny klesá.

Rozprostřený vs. standardní vlek
Materiály rozprostřených koudel mohou být dobrým kompromisem mezi použitím jednosměrných materiálů a standardních splétaných materiálů. Když jsou prameny vláken tkané nahoru a dolů, aby se vytvořila tkanina, pevnost se snižuje v důsledku zvlnění pramenů. Když zvýšíte počet vláken ve standardním kabelu (např. z 3k na 6k), kabel se zvětší (tlusší) a úhel zvlnění se zdrsní. Jedním ze způsobů, jak se tomu vyhnout, je rozprostírat vlákna do širších kabílků, tomu se říká rozprostírání kabílků a toto provedení má několik výhod.

Roztažení koudele poskytuje menší úhel zvlnění než standardní oplet koudele a může snížit chyby křížení zvýšením hladkosti. Nižší úhel krimpování povede k vyšší pevnosti. S rozprostřenými koudelovými materiály se také pracuje snadněji než s jednosměrnými materiály a stále poskytují poměrně dobrou prevenci vytahování vláken.

jednosměrný
Jak název napovídá, uni, což znamená jedno, všechna vlákna jsou orientována stejným směrem. To poskytuje některé výhody vysoké pevnosti jednosměrným (UD) tkaninám. UD tkanina není tkaná a nemá žádná zkadeřená propletená vlákna, která by oslabovala strukturu. Naproti tomu spojitá vlákna dodávají pevnost a tuhost. Další výhodou je možnost přizpůsobení rozložení s větší kontrolou nad výkonnostními charakteristikami. Rámy jízdních kol jsou skvělým příkladem toho, jak lze UD tkaniny použít k přizpůsobení výkonu. Oblast spodního držáku rámu musí být tuhá, aby přenesla sílu jezdce na kola, ale rám musí být také pružný a pružný, aby nedošlo ke zranění jezdce. U materiálů UD si můžete vybrat přesný směr vláken, abyste získali sílu, kterou potřebujete.

Velkou nevýhodou UD je jeho manévrovatelnost. UD se může snadno rozpadnout během pokládání, protože nemá žádná propletená vlákna, která by jej držela pohromadě. Pokud jsou vlákna umístěna nesprávně, je téměř nemožné je znovu správně přesměrovat. Problémy mohou způsobovat i opracované díly vyrobené z UD tkaniny. Pokud se nějaká vlákna vytáhnou v místě, kde byl prvek vyříznut, mohou tato uvolněná vlákna vytáhnout celou součást. Typicky, pokud je pro laminaci vybrán UD materiál, bude pro první a poslední vrstvu použita vrstva tkaného materiálu, aby se zlepšila zpracovatelnost a trvanlivost dílu. To se provádí od rámů dronů pro fandy až po výrobu součástí raket.