Пластмаса, подсилена с въглеродни влакна (CFRP) — свойства и приложения

CFRP (пластмаса с въглеродни влакна) — свойства, предимства, лекота и здравина; приложения в авиация, автомобили, спорт и потребителски продукти. Научете повече.

Пластмасата, подсилена с въглеродни влакна (CFRP или понякога CRP) е високотехнологичен, много здрав и лек композитен материал — вид пластмаса, подсилена с влакна. Името на материала обикновено произлиза от вида на усилващите влакна — в този случай въглеродни влакна). Матрицата (пластмасата) най-често е епоксидна, но се използват и други полимери като полиестер, винилов естер или найлон. Понякога в един композит се комбинират въглеродни влакна с други материали за усилване — например кевлар, метални нишки като алуминий или армировки от стъклени влакна. В литературата по-често срещаните абревиатури за други типове подсилени пластмаси са GFRP (glass-fiber reinforced polymer — пластмаса, подсилена със стъклени влакна). Понякога се използват и по-стари наименования като „пластмаса, подсилена с графит“ за отделни типове въглеродни влакна, но в съвременната практика предпочитани са обозначенията CFRP/CRP за въглеродните композити.

Основни свойства

• Високо отношение на здравина към плътност — CFRP е значително по-лек от стоманата и алуминия при съпоставими якости.
• Висока специфична якост и модул на еластичност, особено в посоката на влакната; материалът е анизотропен (свойствата зависят от ориентацията на влакната).
• Отлична устойчивост на корозия и много химикали; ниска водопоглъщаемост в сравнение с металите.
• Добри умора и ударна устойчивост в правилно проектирани ламинати, но често крехко разрушаване при локални повреди (деламинация, повреда на матрицата).
• Ниска топлопроводимост на матрицата, докато въглеродните влакна са добри проводници на топлина и електричество (в зависимост от типа влакна).
• Нисък коефициент на термично разширение в посоката на влакната, което е полезно за размерна стабилност.

Производствени технологии

Съществуват различни методи за производство на CFRP-компоненти. Най-разпространени са:

• Prepreg и автоклавно втвърдяване — листове предварително импрегнирани с епоксидна смола (prepreg), формовани и втвърдени под налягане и висока температура за максимална плътност и механични свойства.
• Resin Transfer Molding (RTM) — смолата се инжектира в затворена форма, в която вече е положена суха тъкан от влакна; подходящ за серийно производство на сложни форми.
• Филаментно намотаване (filament winding) — за тръбни и цилиндрични детайли като резервоари и валове.
• Пултрузия (pultrusion) — за дълги профили с постоянен напречен сечение.
• Ръчно формоване и вакуумно лепене — по-евтини методи за по-малки серии и ремонти.

Приложения

CFRP намира широко приложение там, където се търси комбинация от ниско тегло и висока якост. Примери:

• Авиокосмическа индустрия — самолети, спътници и компоненти, където намаляването на масата е критично за икономия на гориво и повишаване на полезния товар.
• автомобилната индустрия — при спортни автомобили, състезателни коли и все повече при серийни модели за олекотяване и подобряване на динамиката.
• Морска индустрия и платноходки — корпуси, палуби и мачти поради устойчивостта на корозия и добрите структурни качества.
• Спортни стоки — особено при велосипеди и мотоциклети, където лекотата и твърдостта са особено важни.
• Дребни потребителски продукти — корпуси на преносими компютри, стативи, въдици за риболов, оборудване за пейнтбол, рамки за ракети, корпуси наструнниинструменти, струни за класическа китара и корпуси на барабани.
• Енергетика — витла на вятърни турбини и компоненти за производство на възобновяема енергия.
• Медицински изделия и протезни компоненти — заради съотношението здравина/тегло и възможността за сложни форми.

Предимства и недостатъци

• Предимства: висока специфична здравина и твърдост, корозионна устойчивост, възможност за оптимизиране на свойствата чрез ориентация на влакната, свобода при проектиране на сложни форми.
• Недостатъци: висока цена на суровините и производството (особено при въздухоплавателни качества), сложност при ремонт и присъединяване, чувствителност към локални повреди и деламинация, проблеми с пожаро- и температурна устойчивост в зависимост от матрицата.

Монтаж, свързване и ремонт

Компонентите от CFRP се свързват чрез лепене, механични закрепвания (болтове) или комбинация от двата подхода. При механичното закрепване трябва да се предвиди разпределение на натоварването и защита срещу локални повреди и напрежения. Ремонтирането обикновено изисква премахване на повредения участък и локално нанасяне на нов ламинат, често с използване на вакуумни торби и подходящи смоли.

Ценообразуване и устойчивост

CFRP остава по-скъп от конвенционалните метали и GFRP поради цената на въглеродните влакна и производствените процеси. Въпреки това, при приложения, където намаляването на масата води до значителни икономии (напр. в авиацията и автомобилите), използването му може да бъде икономически оправдано. Възстановяването и рециклирането на CFRP са активни полета на изследване — съществуват методи за термично разграждане и механично раздробяване, както и за реимпрегниране, но устойчивите и ефективни решения остават предизвикателство.

Заключение

CFRP е ключов материал за много високотехнологични приложения благодарение на уникалното съчетание от ниско тегло и високи механични характеристики. Изборът да се използва CFRP трябва да отчита техническите изисквания, производствените възможности, цената и дългосрочната поддръжка и рециклиране.

Въпроси и отговори

В: Какво представлява пластмасата, подсилена с въглеродни влакна (CFRP)?

В: Какви са някои приложения на CFRP?

В: Какви материали се използват обикновено за производството на CFRP?

В: Скъпи ли са CFRP?

В: По какво се различава GFRP от CFRP?

В: Има ли потребителски стоки, които използват CFRP?

Търсене по буква