Plecionki z włókna węglowego: czym są i dlaczego się je stosuje

Jeśli kiedykolwiek zastanawiałeś się, dlaczego jeden kawałek włókna węglowego może wyglądać inaczej niż inny, nie jesteś sam. Włókno węglowe występuje w wielu różnych splotach, z których każdy służy innemu celowi i nie jest tylko dekoracyjny.

Włókna węglowe są wykonane z prekursorów, takich jak poliakrylonitryl (PAN) i sztuczny jedwab. Włókna prekursorowe są poddawane obróbce chemicznej, podgrzewane i rozciągane, a następnie karbonizowane w celu utworzenia włókien o wysokiej wytrzymałości. Te włókna lub włókna ciągłe są następnie wiązane razem i identyfikowane na podstawie liczby zawartych w nich włókien węglowych. Typowe parametry holowania to 3 tys., 6 tys., 12 tys. i 15 tys. „K” oznacza tysiąc, więc kabel 3k jest wykonany z 3,000 włókien węglowych. Standardowy kabel o długości 3 km ma zazwyczaj szerokość 0,125 cala, więc na małej przestrzeni mieści się dużo włókien. Kabel o długości 6 tys. ma 6,000 włókien węglowych, kabel o długości 12 tys. ma 12,000 włókien węglowych i tak dalej. Duże ilości włókien o wysokiej wytrzymałości połączonych ze sobą sprawiają, że włókno węglowe jest tak mocnym materiałem.

 

splot włókna węglowego
Włókno węglowe często występuje w postaci tkanin, co ułatwia pracę i może zapewnić dodatkową wytrzymałość konstrukcyjną w zależności od zastosowania. Dlatego tkaniny z włókna węglowego można tkać na wiele różnych sposobów. Najpopularniejsze to satyna gładka, diagonalna i satynowa, a każdy materiał omówimy szczegółowo.

gładki splot
Zwykłe arkusze z włókna węglowego mają symetryczny wygląd z małą szachownicą. W tym splocie pasma są tkane we wzór góra/dół. Mała odległość pomiędzy splotami zapewnia splotowi płóciennemu wysoki stopień stabilności. Stabilność tkaniny odnosi się do zdolności tkaniny do utrzymania kąta splotu i orientacji włókien. Ze względu na wysoki poziom stabilności, splot płócienny jest mniej odpowiedni do układów o skomplikowanych konturach i nie będzie tak elastyczny jak niektóre inne tkaniny. Ogólnie rzecz biorąc, tkanina o splocie płóciennym nadaje się na płaskie arkusze, rury i dwuwymiarowe krzywe.

Wadą tego wzoru tkania jest silne karbowanie pasm ze względu na małą odległość między splotami (kąty, jakie tworzą włókna podczas tkania, patrz poniżej). Ostre zaciskanie powoduje koncentrację naprężeń, które z czasem osłabiają część.

Splot skośny
Twill jest pomostem pomiędzy splotem płóciennym a splotem satynowym, o którym będziemy mówić dalej. Tkanina diagonalna ma dobrą elastyczność i może tworzyć złożone kontury. Jest gorszy od satynowej tkaniny na szelkach pod względem utrzymania stabilności tkaniny, ale nie tak dobry jak tkanina o splocie płóciennym. Jeśli podążasz za pasmami o splocie skośnym, przechodzi ono przez określoną liczbę splotów, a następnie przez tę samą liczbę splotów. Wzór góra/dół tworzy wygląd ukośnej strzałki, zwanej „linią skośną”. Większa odległość pomiędzy przeplatanymi pasmami oznacza mniejsze zwijanie się i mniejszą potencjalną koncentrację naprężeń w porównaniu z tkaninami o splocie płóciennym.

Twill 2×2 to prawdopodobnie najbardziej znany splot włókna węglowego w branży. Znajduje zastosowanie w wielu zastosowaniach kosmetycznych i dekoracyjnych, ale jest również bardzo funkcjonalny, łączy w sobie średnią odkształcalność ze średnią stabilnością. Jak sugeruje nazwa 2×2, każdy hol przejdzie przez 2 wyciągi, a następnie przetnie oba. Podobnie, skośny splot 4×4 zostanie przewleczony przez 4 kable, a następnie przez 4 kable. Tworzy się nieco lepiej niż diagonal 2×2, ponieważ splot nie jest tak gęsty, ale też mniej stabilny.

uprząż satynowa
Splot satynowy został zaprojektowany tysiące lat temu w celu tworzenia tkanin jedwabnych o doskonałej draperii, a jednocześnie wyglądających gładko i bez szwu. W przypadku kompozytów ta możliwość układania oznacza, że ​​można je łatwo formować i owijać wokół skomplikowanych konturów. Ponieważ tkanina ta jest bardzo podatna na formowanie, oczekuje się, że jej stabilność będzie niska. Typowe sploty satyny żywopłotowej obejmują 4-satynę żywopłotową (4HS), 5-satynową satynową (5HS) i 8-satynową satynową (8HS). Wraz ze wzrostem ilości splotu satynowego zwiększa się odkształcalność, a stabilność tkaniny maleje.

Rozciągnięty hol w porównaniu do standardowego holu
Rozłożone materiały holownicze mogą stanowić dobry kompromis pomiędzy użyciem materiałów jednokierunkowych a standardowymi materiałami plecionymi. Kiedy pasma włókien są tkane w górę i w dół w celu utworzenia tkaniny, wytrzymałość zmniejsza się z powodu zagniatania pasm. Gdy zwiększysz liczbę włókien w standardowym kablu (np. z 3 tys. do 6 tys.), skręt stanie się większy (grubszy), a kąt zwinięcia stanie się bardziej nierówny. Jednym ze sposobów uniknięcia tego jest rozłożenie włókien w szersze pasma, nazywa się to rozkładaniem włókien i wiąże się to z kilkoma korzyściami.

Rozciągnięcie kabla zapewnia mniejszy kąt zwijania niż standardowe splatanie kabla i może zmniejszyć defekty krzyżowania się poprzez zwiększenie gładkości. Mniejszy kąt zagniatania zapewni większą wytrzymałość. Materiały z rozciągniętymi kablami są również łatwiejsze w obróbce niż materiały jednokierunkowe i nadal zapewniają dość dobre zabezpieczenie przed podciąganiem włókien.

jednokierunkowy
Jak sama nazwa wskazuje, uni, czyli jeden, wszystkie włókna są zorientowane w tym samym kierunku. Zapewnia to pewne korzyści w postaci dużej wytrzymałości tkanin jednokierunkowych (UD). Tkanina UD nie jest tkana i nie posiada karbowanych przeplatających się włókien, które osłabiałyby jej konstrukcję. Natomiast włókna ciągłe dodają wytrzymałości i sztywności. Kolejną korzyścią jest możliwość dostosowania układu z większą kontrolą nad charakterystyką wydajności. Ramy rowerów są doskonałym przykładem tego, jak można wykorzystać tkaniny UD do dostosowania wydajności. Obszar suportu ramy musi być sztywny, aby przenieść moc rowerzysty na koła, ale rama musi być również elastyczna i elastyczna, aby uniknąć obrażeń rowerzysty. Dzięki materiałom UD możesz wybrać dokładny kierunek włókien, aby uzyskać potrzebną wytrzymałość.

Główną wadą UD jest jego zwrotność. UD może łatwo rozpaść się podczas układania, ponieważ nie ma przeplatających się włókien, które trzymałyby go razem. Jeśli włókna są ułożone nieprawidłowo, ponowne ich prawidłowe przekierowanie jest prawie niemożliwe. Części obrobione maszynowo wykonane z tkaniny UD mogą również powodować problemy. Jeśli jakiekolwiek włókna podciągną się w miejscu wycięcia elementu, te luźne włókna mogą podciągnąć całą część. Zazwyczaj, jeśli do laminowania wybrany jest materiał UD, na pierwszą i ostatnią warstwę zostanie zastosowana warstwa tkanego materiału, aby poprawić urabialność i trwałość części. Odbywa się to od ram dronów dla hobbystów aż po produkcję części rakietowych.