Carbon Fiber Weaves: Co to je a proč je používat

Pokud jste někdy přemýšleli, proč může jeden kus uhlíkových vláken vypadat jinak než jiný, nejste sami. Uhlíkové vlákno se vyrábí 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 se chemicky upravují, zahřívají a natahují a poté karbonizují za účelem vytvoření vysoce pevných vláken. Tato vlákna nebo filamenty jsou pak svázány dohromady a tvoří koudele, které jsou identifikovány počtem uhlíkových vláken, která obsahují. Běžné třídy tažení jsou 3k, 6k, 12k a 15k. "k" znamená tisíc, takže 3k koudel je vyrobena ze 3,000 uhlíkových vláken. Standardní 3k koudel má obvykle šířku 0,125", takže se do malého prostoru vejde spousta vláken. 6k koudel má 6,000 uhlíkových vláken, 12k taška má 12,{16 }} uhlíková vlákna atd. Spousta vysoce pevných vláken svázaných dohromady dělá uhlíková vlákna tak pevným materiálem.

Tkané uhlíkové vlákno
Uhlíkové vlákno se obvykle dodává ve formě tkané látky, což usnadňuje práci a v závislosti na aplikaci může poskytnout dodatečnou strukturální pevnost. V důsledku toho se tkaniny z uhlíkových vláken dodávají v mnoha různých vazbách. Nejběžnější jsou pevný, keprový a stuhový satén a na každý se podíváme podrobněji.

plátnová vazba
Panely z hladkých uhlíkových vláken působí symetricky a mají vzhled malé šachovnice. V této vazbě jsou koudele tkané vzorem nad/pod. Krátké rozestupy mezi vazbami propůjčují plátnové vazbě vysoký stupeň stability. Stabilita tkaniny je schopnost tkaniny udržet si svůj úhel vazby a orientaci vláken. Kvůli této vysoké úrovni stability je plátnová vazba méně vhodná pro složité tvarované vrstvení, nebude tak flexibilní jako některé jiné vazby. Obecně lze říci, že plátnová vazba je vhodná pro ploché plechy, trubky a dvourozměrné křivky.

Jednou nevýhodou tohoto vzoru vazby je hrubé zvlnění (úhel, který vlákna svírají při tkaní, viz níže) v kabílku kvůli krátké vzdálenosti mezi propletením. Hrubé zvlnění vytváří koncentrace napětí, které mohou časem oslabit součást.

Keprová vazba
Kepr funguje jako most mezi plátnovou vazbou a saténovou vazbou, o které budeme hovořit dále. Kepr je dostatečně pružný, aby vytvářel složité obrysy a lépe udržuje stabilitu látky než sedlová atlasová vazba, ale není tak dobrý jako plátnová vazba. Pokud sledujete vlek v kepru, projde určitým počtem vleků a poté stejným počtem vleků. Vzor nahoře/dole vytváří vzhled diagonální šipky známý jako "diagonální čára". Větší vzdálenost mezi propletením kabelů znamená menší zvlnění a menší potenciální koncentraci napětí ve srovnání s plátnovou vazbou.

2×2 kepr

4×4 kepr
2×2 Twill je pravděpodobně nejznámější tkanina z uhlíkových vláken v průmyslu. Používá se v mnoha kosmetických a dekorativních aplikacích, ale je také vysoce funkční, má střední tvarovatelnost a střední stabilitu. Jak název 2×2 napovídá, každý vlek projde 2 vleky a poté 2 vleky. Stejně tak kepr 4×4 projde 4 vleky a následně 4 vleky. Je o něco lépe tvarovatelný než kepr 2×2, protože vazba není tak těsná, ale je také méně stabilní.

Postroj saténová vazba
Atlasová vazba byla navržena před tisíci lety k vytvoření hedvábných látek, které mají vynikající splývavost a zároveň vypadají hladce a bezešvě. U kompozitů tato splývavost znamená, že mohou snadno vytvářet a obalovat složité obrysy. Vzhledem k vysoké tvarovatelnosti této tkaniny se očekává, že bude mít nízkou stabilitu. Běžné vazby jsou čtyřřadé (4HS), pětiřadé (5HS) a osmiřadé (8HS). S rostoucím počtem saténových vazeb se zvyšuje tvarovatelnost, zatímco stabilita tkaniny klesá.

4HS

5HS

8HS

Číslo v názvu Harness Satin udává celkový počet projetých vleků. U 4HS to bude přes 3 vleky a následně pod 1 vlek. U 5HS to bude přes 4 vleky pak pod 1 vlek a u 8HS to bude nad 7 vleků pak pod 1 vlek.

Spread Tow vs. Standard Tow
Rozprostřené materiály na koudel mohou být dobrým kompromisem mezi použitím jednosměrných materiálů a standardních tkaných materiálů. Když jsou vlákna vláken tkaná nahoru a dolů, aby se vytvořila tkanina, pevnost se snižuje v důsledku zvlnění kabelů. Když zvýšíte počet vláken ve standardním kabelu, řekněme z 3k na 6k, kabel se zvětší (tlusší) a úhel zvlnění se zostřuje. Jedním ze způsobů, jak se tomu vyhnout, je rozprostírat vlákna do širších kabílků, známých jako rozprostřené koudele, což má několik výhod.

Roztažené kabely poskytují menší úhel zvlnění než standardní kabelové oplety a mohou snížit chyby křížení zvýšením hladkosti. Nižší úhly krimpování povedou k vyšší pevnosti. S rozprostřenými tažnými materiály se také pracuje snadněji než s jednosměrnými materiály a stále mají poměrně dobrou prevenci vytahování vláken.

Rozprostřete obyčejnou koudel

Spread koudel keprová vazba
jednosměrný
Jak název napovídá, uni znamená jedno a všechna vlákna směřují 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. Místo toho existují souvislá vlákna, která dodávají pevnost a tuhost. Další výhodou je možnost přizpůsobit stackup s větší kontrolou nad výkonnostními charakteristikami. Rám jízdního kola je skvělým příkladem toho, jak lze UD tkaniny použít k vyladění výkonu. Rám musí být tuhý v oblasti středového složení, aby přenesl sílu jezdce na kola, ale také musí být poddajný a pružný, aby jezdce nepřetěžoval. U materiálů UD si můžete zvolit přesnou orientaci vláken pro dosažení požadované pevnosti.

Velkou nevýhodou UD je jeho manévrovatelnost. UD se během pokládání snadno rozpadne, protože nemá žádná propletená vlákna, která by jej držela pohromadě. Pokud jsou vlákna umístěna nesprávně, je téměř nemožné je znovu správně orientovat. Problémy mohou způsobovat i opracované díly vyrobené z UD tkanin. Pokud jsou nějaká vlákna vytažena nahoru v místě, kde byl prvek vyříznut, tato volná vlákna budou vytažena nahoru skrz díl. Typicky, pokud je pro pokládku vybrán UD materiál, je pro první a poslední vrstvu použita vrstva tkaného materiálu, aby se zlepšila zpracovatelnost a trvanlivost dílu. To je to, co dělají rámy pro fandy dronů až po výrobu součástí raket.