Что такое переплетение углеродного волокна? Как это влияет на листы из углеродного волокна?

Характеристики листов армированного углеродным волокном пластика (CFRP) во многом зависят от переплетения углеродного волокна. Различные структуры переплетения влияют на механические свойства листа, анизотропию, технологичность и внешний вид. Ниже описаны распространенные переплетения, их влияние на листовой материал и наиболее часто используемые типы:

I. Распространенные методы плетения углеродного волокна

Плетение из углеродного волокна по существу включает в себя переплетение пучков углеродного волокна (пряжи) в ткань по определенному рисунку. К распространенным методам двумерного плетения относятся:

1. Однонаправленное (UD) переплетение.

Структурные характеристики: Все углеродные волокна расположены параллельно друг другу в одном направлении (например, 0°), без какого-либо пересечения. Они закрепляются только в продольном (направление волокон) и поперечном (перпендикулярном) направлениях небольшим количеством смолы или рубленых волокон.

Варианты: на практике это часто происходит в виде «однонаправленного препрега» (волокон, пропитанных смолой и уложенных в одном направлении). Его можно ламинировать однонаправленными тканями в других ориентациях (например, 0°, 90° или ±45°) для формирования разнонаправленных композитных структур.

2. Простое плетение

Структурные характеристики: Это наиболее традиционное двумерное переплетение, в котором волокна переплетаются по схеме «одно вверх, одно вниз». Точки переплетения плотные (каждое волокно ортогонально соседним). Типичная плотность – это количество нитей основы и утка на сантиметр (например, 80–200/см). Типичные параметры: Нити основы (продольные) и утка (поперечные) чередуются вверх и вниз, создавая клетчатую поверхность.

3. Саржевое переплетение

Структурные характеристики: Волокна переплетаются по диагонали, образуя такой узор, как «2 вверх, 1 вниз» или «3 вверх, 1 вниз». Точки переплетения расположены на большом расстоянии друг от друга, что приводит к четкому диагональному рисунку (например, 45° или 30°).

Преимущества: Мягче, чем полотняное переплетение, с пониженным сопротивлением скольжению волокон, что делает его пригодным для формирования сложных изогнутых поверхностей.

4. Атласное переплетение

Структурные характеристики: Волокна переплетаются более сложным узором (например, атлас с 5 переплетениями и сатин с 8 переплетениями). Каждое волокно пересекается только с несколькими другими волокнами (например, в атласе с 5 переплетениями нить основы пересекается только один раз на каждые пять нитей утка), в результате чего точек переплетения очень мало.

Особенности: Гладкая поверхность, высокая непрерывность волокон, но немного более низкая структурная стабильность.

5. 3D-плетение (реже используется для плоских панелей)

Структурные особенности: Несколько слоев волокон переплетаются по всей толщине ткани, образуя трехмерную сеть (например, ортогональные структуры и структуры с угловым замком).

Ограничения применения: Сложный процесс и высокая стоимость. В основном используется для высокопроизводительных структурных компонентов (например, авиационных несущих компонентов), а не для обычных пластиковых листов.

II. Влияние метода плетения на листы пластика из углеродного волокна

Способ плетения напрямую определяет механические свойства, технологичность и функциональность листа углеродного волокна. Конкретные воздействия заключаются в следующем:

1. Механические свойства

Однонаправленное переплетение: прочность и модуль упругости в направлении волокон (продольном) чрезвычайно высоки, но эффективность в поперечном направлении (перпендикулярно направлению волокон) низкая (в зависимости от связующей смолы). Разнонаправленное ламинирование (например, 0°/90°) необходимо для балансировки анизотропии.

Полотняное переплетение: ортогональное переплетение ограничивает длину волокна (из-за ограничений процесса ткачества), что приводит к снижению объемной доли волокна (приблизительно 40-50%). Общая прочность ниже, чем у однонаправленной ткани, но поперечные характеристики лучше, а анизотропия меньше.

Саржевое переплетение: волокна скользят более свободно, что облегчает установку формы во время формования. Однако точки переплетения вызывают локализованную концентрацию напряжений, что приводит к несколько более низкой прочности, чем у полотняного переплетения. Диагональное переплетение распределяет часть нагрузки, что приводит к немного большей общей прочности.

Атласное переплетение: непрерывность волокон отличная (меньше точек переплетения), а продольная прочность аналогична однонаправленной. Хотя поперечное направление все еще слабее из-за отсутствия плотных поперечных связей, поверхность более гладкая, что делает ее подходящей для применений, требующих высокой эстетики.

2. Обработка и формуемость

Однонаправленный: гибкое наложение слоев (можно укладывать под любым углом), подходит для индивидуального проектирования сложных несущих конструкций, но требует точного контроля углов между слоями во избежание расслоения.

Гладкая/саржа: отличная общая жесткость и устойчивость к деформации во время формования, что делает ее подходящей для массового производства стандартных форм (таких как плоские панели и оболочки). Однако сложные изогнутые поверхности требуют предварительной формовки.

Сатин: Высокоэластичный, подходит для оклейки сложных криволинейных поверхностей, но со слабым межслойным соединением, требующим дополнительной пропитки смолой или обработки поверхности.

3. Внешний вид и функциональность

Полотняное переплетение: выраженная текстура поверхности (клетчатая), что придает ей сильный индустриальный вид.

Саржа: более мягкая диагональная текстура распространена в потребительских товарах (например, корпусах для электроники).

Сатин: зеркальная гладкость делает его подходящим для декоративных деталей высокого класса (например, автомобильных салонов и ювелирных изделий).

CFRP Carbonfiber Reinforced Polymer Board

Лист AHD из армированного углеродным волокном пластика (CFRP) также называют полимерным листом, армированным углеродным волокном.

III. Наиболее распространенные методы плетения

Однонаправленное переплетение (особенно однонаправленный препрег) является наиболее популярным выбором для листов углеродного волокна по следующим причинам:

Возможности проектирования: благодаря многонаправленному ламинированию (например, комбинациям 0°/90°/±45°) он может точно соответствовать требованиям к нагрузке в различных направлениях (например, продольная прочность для лопастей ветряных турбин, ударопрочность в разных направлениях для автомобильных шасси).

Высокое использование волокон: углеродные волокна в однонаправленных тканях практически не изгибаются (что минимизирует повреждение волокон во время плетения), а объемная доля волокон может достигать 60-70% (выше, чем 40-50% в полотняном/саржевом переплетении). Механические свойства ближе к внутренним значениям углеродных волокон.

Баланс экономической эффективности: однонаправленные ткани имеют простой производственный процесс (требуется только продольное выравнивание волокон) и могут быть разрезаны по размеру во время ламинирования, что делает их пригодными для крупномасштабного промышленного производства.

Следующим по распространенности переплетением является полотняное/саржевое переплетение, которое в основном используется там, где требуется высокая эстетика или общая прочность. Из-за своей высокой стоимости 3D-плетения используются только в приложениях, выдерживающих экстремальные нагрузки.

Резюме: Листы из углеродного волокна в основном доступны в однонаправленном, полотняном и саржевом переплетении. Однонаправленное переплетение является наиболее часто используемым из-за его технологичности и высокого использования волокон. При выборе переплетения учитывайте преимущества и недостатки каждой структуры, исходя из ваших конкретных потребностей (таких как прочность, направление, внешний вид и стоимость).

Черный лист углеродного волокна AHD