Почему трубы из углеродного волокна такие легкие? Поймите причину их низкой плотности

Почему трубы из углеродного волокна такие легкие?

Трубки из углеродного волокна широко используются в аэрокосмических конструкциях, корпусах БПЛА, роботизированных манипуляторах, удочках, опорах для камер, медицинском оборудовании, средствах автоматизации, спортивном оборудовании и других устройствах, где вес конструкции имеет значение. Их популярность обусловлена ​​сочетанием низкой плотности, высокой жесткости, высокой прочности на разрыв, коррозионной стойкости и способности адаптировать ориентацию волокон к направлению приложенных нагрузок.

Но почему трубки из углеродного волокна такие легкие? Ответ не просто в том, что углеродное волокно «легче металла». Легкий вес трубки из углеродного волокна является результатом взаимодействия плотности материала, геометрии трубы, ориентации волокна, объемной доли волокна, содержания смолы и технологии производства.

Типичное высокопрочное углеродное волокно-, такое как Toray T700S, имеет заявленную плотность волокна 1,80 г/см³, предел прочности на разрыв 4900 МПа, модуль упругости 230 ГПа и диаметр нити примерно 7 мкм. Toray также сообщает о нормализованных свойствах композита T700S/эпоксидной смолы при объеме волокна 60%, включая прочность на разрыв 2860 МПа и модуль упругости 134 ГПа.

Эти цифры помогают объяснить, почему трубы из углеродного волокна могут достигать высокой структурной эффективности, не требуя массы, свойственной традиционным металлам.

Однако есть важное различие: углеродное волокно представляет собой армирование, а трубка из углеродного волокна обычно представляет собой композитную конструкцию. Готовая трубка содержит углеродные волокна, полимерную смолу и иногда дополнительные материалы поверхности или сердцевины. Следовательно, его конечная плотность и механические характеристики зависят от всей конструкции изготовления.

В следующих разделах рассматриваются научные данные, лежащие в основе легких трубок из углеродного волокна, объясняется соответствующая инженерная терминология, сравниваются трубы из углеродного волокна с обычными металлами, а также обсуждаются практические производственные проблемы и решения.

Какова плотность трубок из углеродного волокна?

Плотность является отправной точкой для понимания легких материалов. В технике плотность определяется как масса единицы объема: ρ=м/В, где ρ — плотность, m — масса, а V — объем. Материал с меньшей плотностью содержит меньшую массу в том же объеме. Углеродное волокно особенно привлекательно, поскольку коммерческие волокна обычно имеют плотность около 1,75–1,90 г/см³, в зависимости от марки и структуры. T700S от Toray представляет собой полезный промышленный образец. Заявленная плотность волокна составляет 1,80 г/см³, предел прочности на разрыв — 4900 МПа, а модуль упругости — 230 ГПа. Опубликованные компанией Hexcel данные по углеродному-волокну PAN также показывают, что плотность высокоэффективных углеродных волокон-обычно близка к этому диапазону. Например, его технические данные указывают AS4 около 1,79 г/см³, IM7 около 1,80 г/см³ и HM63 около 1,76 г/см³.

Для сравнения, обычные конструкционные материалы имеют существенно разную плотность.

Для готовой трубки из углеродного волокна инженеры не должны просто копировать плотность волокна из таблицы данных углеродного волокна. Тюбик также содержит смолу.

Таким образом, конечная плотность трубки зависит от:

• Марка углеродного волокна
• Плотность смолы
• Объемная доля клетчатки
• Пустой контент
• Ориентация волокна
• Толщина стенки трубы
• Производственный процесс
• Поверхностные покрытия
• Вставки или дополнительные материалы

Это различие особенно важно при сравнении трубок из углеродного волокна низкой плотности с алюминиевыми или стальными трубками. Правильное сравнение должно проводиться между готовыми компонентами с одинаковыми структурными требованиями,-а не просто между необработанными волокнами и металлом.

Почему трубчатая форма делает трубы из углеродного волокна еще более весовыми-эффективными?

Вторая причина легкости трубок из углеродного волокна — это их геометрия. Трубка не обязательно должна содержать твердый материал по всему поперечному-сечению. Вместо этого большая часть его конструкционного материала расположена по внешнему периметру, создавая высокий второй момент площади, также называемый моментом инерции площади. Это геометрическое свойство, которое описывает, насколько эффективно поперечное-сечение распределяет материал относительно оси изгиба. При изгибе перемещение материала дальше от нейтральной оси может значительно увеличить жесткость при изгибе без пропорционального увеличения массы.

Это объясняет, почему трубы широко используются в таких конструкциях, как:

• Вооружение БПЛА
• Велосипедные рамы
• Роботизированные ссылки
• Камера стрелы
• Телескопические стойки
• Удочки
• Структурные элементы аэрокосмической отрасли
• Приводные валы Промышленные ролики

Как ориентация волокон делает трубы из углеродного волокна прочными, не делая их тяжелыми?

Третья основная причина — ориентация волокон. Углеродное волокно очень анизотропно. Это означает, что его механические свойства изменяются в зависимости от направления. T700S компании Toray иллюстрирует разницу между поведением уровня-волокна и поперечным композитным материалом. Волокно имеет предел прочности на разрыв 4900 МПа и модуль упругости 230 ГПа, в то время как нормализованный 60%-ный эпоксидный композит с содержанием волокна-объема имеет предел прочности на разрыв при 0 градусах, равный 2,860 МПа, и модуль упругости 134 ГПа. Причиной такого направленного действия является ориентация углеродных волокон. Трубка, подвергающаяся в первую очередь осевому растяжению, выигрывает от волокон, ориентированных под углом около 0 градусов параллельно оси трубки. Труба, подвергающаяся скручиванию, требует значительного усиления ±45 градусов, поскольку эти волокна эффективно переносят напряжения сдвига. Для сосуда под давлением может потребоваться армирование в виде кольца-, поскольку напряжение по окружности становится важным.

Таким образом, практичная трубка из углеродного волокна может иметь несколько направлений:

• 0 градусов: осевая жесткость и прочность на растяжение.
• ±45 градусов: характеристики на скручивание и сдвиг.
• 90 градусов: поперечная устойчивость и усиление обруча.
• Гибридные простои: сбалансируйте несколько вариантов нагрузки

Это главное отличие от обычных изотропных металлов. Стальная труба обычно имеет относительно схожие свойства в разных направлениях. Трубку из углеродного волокна можно спроектировать таким образом, чтобы усиление концентрировалось там, где фактически возникают нагрузки.

Насколько соотношение прочности-к-весу труб из углеродного волокна соотносится с алюминием и сталью?

Соотношение прочности-к-весу — одна из наиболее важных концепций в проектировании легких конструкций. Технический термин — это удельная прочность, которая обычно выражается как предел прочности, разделенный на плотность. Аналогичный параметр, удельная жесткость, сравнивает модуль Юнга с плотностью. В качестве примера можно привести волокно Toray T700S: Предел прочности=4900 МПа Плотность=1.80 г/см³ Модуль упругости=230 ГПа Эти свойства обеспечивают очень высокий уровень удельной прочности и удельной жесткости-на уровне волокна. Но инженерам следует быть осторожными при проведении прямых сравнений. Трубка из углеродного волокна представляет собой ламинированный композит, тогда как алюминиевая или стальная трубка обычно представляет собой изотропную металлическую структуру. Конечные характеристики зависят от толщины стенки, диаметра, производственного процесса, соединений, местного коробления, ударопрочности и направления нагрузки.

Исследования Министерства энергетики идентифицируют композиты из углеродного волокна как один из передовых легких материалов, способных существенно снизить массу. По оценкам программы по транспортным материалам, композиты из углеродного волокна могут снизить вес некоторых компонентов примерно на 50–70%, при этом в качестве важных препятствий отмечаются стоимость, соединение, моделирование и переработка. Министерство энергетики также заявляет, что снижение веса автомобиля на 10 % может привести к улучшению экономии топлива примерно на 6–8 %, хотя фактические результаты на уровне системы- зависят от конструкции автомобиля и условий эксплуатации.

Это показывает, почему легкие трубки из углеродного волокна ценны не только сами по себе. Уменьшение массы движущейся роботизированной руки, стрелы БПЛА, приводного вала или аэрокосмической конструкции может снизить нагрузки на другие компоненты.

Например, более легкое роботизированное звено может снизить требования к приводу. Более легкая стрела БПЛА может уменьшить массу конструкции, которую необходимо постоянно поднимать. Более легкий вращающийся вал может уменьшить инерцию вращения. Таким образом, реальным преимуществом трубок из углеродного волокна зачастую является снижение массы-на уровне системы, а не просто уменьшение веса одного компонента.

Почему трубы из углеродного волокна могут быть легкими, не теряя при этом жесткости?

Легкий вес часто вызывает беспокойство: если трубка станет тоньше, не станет ли она слишком гибкой? Ответ зависит от того, контролируется ли конструкция прочностью или жесткостью. Прочность касается того, может ли компонент выдержать приложенную нагрузку без разрушения. Жесткость касается того, насколько сильно компонент деформируется под этой нагрузкой.

Для многих трубок из углеродного волокна требуемая толщина стенки определяется жесткостью, а не пределом прочности на разрыв.

Это особенно важно для:

• Роботизированное оружие
• БПЛА стрелы
• Опорные трубки для камеры
• Прецизионные детали машин
• Телескопические конструкции
• Антенные опоры
• Оптическое оборудование
• Оборудование автоматизации

Компонент может иметь достаточную прочность на растяжение, но при этом чрезмерно прогибаться. Например, в роботизированной руке чрезмерное отклонение может снизить точность позиционирования, даже если трубка не достигает своей нагрузки при разрушении. Поэтому высокий модуль углеродного волокна может быть чрезвычайно ценным. Toray сообщает, что модуль волокна T700S составляет 230 ГПа, а нормированный модуль упругости композита - 134 ГПа при объеме волокна 60%. Техническая аннотация - Модуль Юнга: Модуль Юнга измеряет упругую жесткость. Более высокий модуль обычно означает меньшую упругую деформацию при заданном напряжении в пределах диапазона упругости материала. Однако жесткость трубки определяется не только модулем упругости.

Это также зависит от:

• Диаметр трубки
• Толщина стенки
• Геометрия поперечного-секции
• Ориентация волокна
• Условия поддержки
• Длина трубки
• Направление нагрузки

Следовательно, увеличение наружного диаметра иногда может улучшить жесткость на изгиб более эффективно, чем простое увеличение толщины стенки. Это одна из причин, по которой трубы из углеродного волокна большого-диаметра с тонкими-стенками становятся все более привлекательными для легких конструкций. Проектировщик может использовать как высокую удельную жесткость материала, так и геометрическую эффективность трубчатого поперечного сечения-.

Как производятся легкие трубы из углеродного волокна?

Производственный процесс сильно влияет на конечный вес и механические свойства трубок из углеродного волокна. Широко используются несколько технологий производства.

1. Пултрузия Пултрузия непрерывно протягивает углеродные волокна через систему смол и нагретую формующую матрицу.

Он особенно подходит для:

• Прямые стержни
• Трубы
• Профили
• Структурные балки
• Непрерывное производство

Пултрузия позволяет получить очень однородное поперечное-сечение и прочное продольное армирование.

2. Намотка нити При намотке нити непрерывные волокна,-пропитанные смолой, располагаются вокруг оправки под контролируемыми углами.

Он особенно подходит для:

• Трубы
• Сосуды под давлением
• Приводные валы
• Цилиндрические конструкции

Угол намотки можно оптимизировать в соответствии с осевой, окружной и крутильной нагрузкой.

3. Рулонная обмотка Для рулонной обмотки используется препрег или ткань из углеродного волокна, намотанная на оправку.

Его обычно используют для:

• Карбоновые трубки
• Телескопические трубы
• Спортивное оборудование
• Полюсы для камер
• Промышленные конструкционные трубы

Заключение

Трубки из углеродного волокна легкие, поскольку углеродное волокно имеет низкую плотность, обеспечивая при этом превосходную прочность и жесткость. Их полая структура дополнительно уменьшает количество ненужного материала без ущерба для структурных характеристик. Оптимизируя ориентацию волокон и конструкцию трубок, производители могут добиться высокого соотношения прочности-к-весу. Эти преимущества делают трубы из углеродного волокна идеальными для дронов, робототехники, аэрокосмической промышленности, спортивного оборудования, средств автоматизации и других легких конструкций.

Связаться с нами

Ищете легкие и высокопрочные-трубки из углеродного волокна для своего проекта? Мы предлагаем нестандартные размеры, формы, обработку поверхности и ориентацию волокон для удовлетворения разнообразных потребностей применения. Свяжитесь с нами сегодня по электронной почте: sales18@julitech.cn или WhatsApp +86 18822947075, чтобы получить профессиональные решения по материалам, конкурентоспособные цены и быструю техническую поддержку. Расскажите нам о своих потребностях-мы поможем вам воплотить ваши проекты в жизнь.

Ссылки

Toray Composite Materials America - TORAYCA™ T700S Технический паспорт углеродного волокна

Министерство энергетики США - Легкие материалы для легковых и грузовых автомобилей

Предоставляет сравнительные технические данные для T700S, T700G, T800H и других марок углеродного волокна.