Zrozumienie kompozytów CFRP

Niesamowite możliwości polimerów wzmocnionych włóknem węglowym

StockSolutions/Getty Images

Włókno węglowe Wzmocnione kompozyty polimerowe (CFRP) to lekkie, mocne materiały używane w produkcji wielu produktów używanych w naszym codziennym życiu. Jest to termin używany do opisania wzmocnionego włóknem materiał kompozytowy który wykorzystuje włókno węglowe jako główny składnik strukturalny. Należy zauważyć, że „P” w CFRP może również oznaczać „plastik” zamiast „polimer”.

Ogólnie rzecz biorąc, kompozyty CFRP wykorzystują żywice termoutwardzalne, takie jak żywice epoksydowe, poliester lub ester winylowy . Mimo że żywice termoplastyczne są stosowane w kompozytach CFRP, „kompozyty termoplastyczne wzmocnione włóknem węglowym” często występują pod własnym akronimem, kompozyty CFRTP.

Podczas pracy z kompozytami lub w branży kompozytów ważne jest zrozumienie terminów i akronimów. Co ważniejsze, konieczne jest zrozumienie właściwości kompozytów FRP i możliwości różnych wzmocnień, takich jak włókno węglowe.

Właściwości kompozytów CFRP

Materiały kompozytowe wzmocnione włóknem węglowym różnią się od innych kompozytów FRP wykorzystujących tradycyjne materiały, takie jak włókno szklane lub włókno aramidowe . Do korzystnych właściwości kompozytów CFRP należą:

Lekka waga: Tradycyjny kompozyt wzmocniony włóknem szklanym użycie ciągłego włókna szklanego z włóknem 70% szkła (masa szkła/masa całkowita) będzie zwykle miało gęstość 0,065 funta na cal sześcienny.

Tymczasem kompozyt CFRP o tej samej 70% masie włókien może zwykle mieć gęstość 0,055 funta na cal sześcienny.

Zwiększona siła: Kompozyty z włókna węglowego są nie tylko lżejsze, ale kompozyty CFRP są znacznie mocniejsze i sztywniejsze w przeliczeniu na jednostkę masy. Dotyczy to porównywania kompozytów z włókna węglowego z włóknem szklanym, ale jeszcze bardziej w porównaniu z metalami.

Na przykład przyzwoitą zasadą przy porównywaniu stali do kompozytów CFRP jest to, że struktura z włókna węglowego o równej wytrzymałości często waży 1/5 wagi stali. Możesz sobie wyobrazić, dlaczego firmy motoryzacyjne badają użycie włókna węglowego zamiast stali.

Porównując kompozyty CFRP z aluminium, jednym z najlżejszych stosowanych metali, standardowym założeniem jest, że struktura aluminiowa o równej wytrzymałości prawdopodobnie ważyłaby 1,5 razy więcej niż struktura z włókna węglowego.

Oczywiście jest wiele zmiennych, które mogłyby zmienić to porównanie. Gatunki i jakość materiałów mogą być różne, a w przypadku kompozytów proces produkcji należy wziąć pod uwagę architekturę światłowodów i jakość.

Wady kompozytów CFRP

Koszt: Chociaż jest to niesamowity materiał, istnieje powód, dla którego włókno węglowe nie jest używane w każdym pojedynczym zastosowaniu. Obecnie kompozyty CFRP są w wielu przypadkach nieopłacalne. W zależności od aktualnych warunków rynkowych (podaż i popyt), rodzaju włókna węglowego (klasa lotnicza a komercyjna) i rozmiaru kabla, cena włókna węglowego może się znacznie różnić.

Surowe włókno węglowe w przeliczeniu na funt może być od 5 do 25 razy droższe niż włókno szklane. Ta dysproporcja jest jeszcze większa, gdy porównuje się stal i kompozyty CFRP.

Przewodność: Może to być zarówno zaletą kompozytów z włókna węglowego, jak i wadą w zależności od zastosowania. Włókno węglowe jest niezwykle przewodzące, a włókno szklane zapewnia izolację. Wiele aplikacje wykorzystują włókno szklane , i nie może używać włókna węglowego ani metalu, wyłącznie ze względu na przewodność.

Na przykład w przemyśle komunalnym wiele produktów wymaga użycia włókien szklanych. Jest to również jeden z powodów, dla których drabiny wykorzystują włókno szklane jako szyny drabiny. Jeśli drabina z włókna szklanego zetknie się z linią energetyczną, szanse na porażenie prądem są znacznie mniejsze. Nie byłoby tak w przypadku drabiny CFRP.

Chociaż koszt kompozytów CFRP nadal pozostaje wysoki, nowe postępy technologiczne w produkcji nadal umożliwiają tworzenie bardziej opłacalnych produktów. Mamy nadzieję, że za naszego życia będziemy mogli zobaczyć opłacalne włókno węglowe w szerokim zakresie zastosowań konsumenckich, przemysłowych i motoryzacyjnych.