Які ўплыў арыентацыі валокнаў на кампазіты з вугляроднага валакна?

Арыентацыя вугляроднага валакна: вызначэнне, тыпы і ўплыў на лісты з вугляроднага валакна

I. Арыентацыя вугляроднага валакна: асноўнае вызначэнне

Арыентацыя вугляроднага валакна адносіцца да размяшчэння вугляродных валокнаў у кампазіцыйным матэрыяле (напрыклад, вугляродным валакне) у пэўным кірунку. Паколькі вугляродныя валакна з'яўляюцца анізатропнымі матэрыяламі з высокім суадносінамі бакоў, іх арыентацыя ў матрыцы непасрэдна вызначае макраскапічныя ўласцівасці кампазітнага матэрыялу. Арыентацыя - гэта па сутнасці накіраваная канструкцыя шляху перадачы напружання ў кампазітным матэрыяле вугляроднымі валокнамі. Кантралюючы кірунак валокнаў, можна аптымізаваць характарыстыкі матэрыялу пры розных нагрузках.

II. Асноўныя тыпы арыентацыі вугляроднага валакна

Арыентацыю вугляроднага валакна можна класіфікаваць па кірунку размяшчэння, куце або структурнай форме. Распаўсюджаныя тыпы наступныя:

1. Класіфікацыя па кірунку размяшчэння валокнаў

Аднанакіраваная арыентацыя (UD): усе вугляродныя валакна размешчаны паралельна ў адным кірунку (напрыклад, 0°), што з'яўляецца найбольш тыповай формай арыентацыі. Валакна размешчаны вертыкальна і бязладна раскіданыя.

Двунакіраваная арыентацыя (BD): валакна размешчаны па чарзе ў двух артаганальных кірунках (напрыклад, 0°/90°), утвараючы шматслаёвую структуру (кожны пласт аднанакіраваны, і пласты артаганальныя адзін аднаму).

Рознанакіраваная арыентацыя: валакна размешчаны ўздоўж трох або больш вуглоў (напрыклад, 0°/±45°/90°), звычайна выкарыстоўваюцца ў прыкладаннях, якія патрабуюць падшыпнікаў з рознымі нагрузкамі.

Выпадковая арыентацыя: валакна выпадкова размеркаваны ў матрыцы (напрыклад, нарэзаныя кампазітныя матэрыялы з вугляроднага валакна), дэманструючы макраскапічную ізатрапію, але са значна меншай трываласцю, чым накіраваная арыентацыя.

2. Класіфікацыя па структурнай форме (для бесперапынных валокнаў)

Тканіна: валакна пераплятаюцца ў сетку з дапамогай працэсаў ткацтва (напрыклад, палатнянае перапляценне, саржавае перапляценне, атласнае перапляценне).

Арыентацыя нятканага матэрыялу: валакна напластоўваюцца без перапляцення (напрыклад, накладка прэпрэга), фіксуюцца толькі злучэннем смалы, захоўваючы лінейнае размяшчэнне валокнаў.

Арміраваны вугляродным валакном пластыкавы ліст, таксама званы лістом CFRP

III. Уплыў арыентацыі вугляроднага валакна на лісты з вугляроднага валакна

Уласцівасці (механічныя, тэрмічныя, апрацоўчыя і г.д.) лістоў з вугляроднага валакна цесна звязаны з арыентацыяй валакна, у асноўным у наступных аспектах:

1. Анізатрапія механічных уласцівасцей

Уласцівасці ўздоўж напрамку арыентацыі: Вугляродныя валокны дэманструюць надзвычай высокую трываласць і модуль уздоўж напрамку арыентацыі (напрыклад, 0°), таму што напружанне можа быць эфектыўна перададзена на вось валакна праз матрыцу, цалкам выкарыстоўваючы іх высокія характарыстыкі трываласці.

Уласцівасці, перпендыкулярныя напрамку арыентацыі: трываласць і модуль значна памяншаюцца перпендыкулярна напрамку арыентацыі (напрыклад, 90°), таму што валакна не могуць эфектыўна несці папярочныя нагрузкі, абапіраючыся ў асноўным на матрыцу і межфазную сілу склейвання.

Балансіроўка рознанакіраванай арыентацыі: Камбінуючы розныя вуглы (напрыклад, 0°/±45°/90°), можна аптымізаваць трываласць пры шматвосевых нагрузках, пазбягаючы разбурэння ў адным кірунку. Напрыклад, арыентацыя ±45° можа палепшыць устойлівасць да зруху і скручвання.

2. Інтэрламінарныя ўласцівасці і здольнасць супраць расслаення

У аднанакіраванай або двухнакіраванай пласціне з вугляроднага валакна трываласць на зрух паміж пластамі (паміж рознымі накладкамі) нізкая, таму што ў міжслаёвых пластах адсутнічае бесперапыннае перамыканне валокнаў, што робіць іх схільнымі да расслаення пры нагрузках па-за плоскасцю (напрыклад, пры ўдары).

Рознанакіраваная арыентацыя (напрыклад, уключэнне слаёў ±45°) або тканыя структуры могуць палепшыць міжслаёвае злучэнне праз перапляценне валокнаў, зніжаючы рызыку расслаення.

3. Цеплавое пашырэнне і стабільнасць памераў

Аднанакіраваныя лісты з вугляроднага валакна маюць каэфіцыент цеплавога пашырэння (КТР), блізкі да 0 (ці нават адмоўны, бо само вугляроднае валакно мае адмоўны КТР) уздоўж напрамку валакна, у той час як КТР, перпендыкулярны да валакна, вышэй. Гэтая розніца можа прывесці да дэфармацыі ліста.

Рознанакіраваная арыентацыя (напрыклад, сіметрычнае размяшчэнне 0°/90°) можа кампенсаваць розніцу ў цеплавым пашырэнні праз сіметрычную структуру, паляпшаючы стабільнасць памераў.

4. Апрацоўка і фарміраванне

Аднанакіраваныя лісты схільныя да разрыву ўздоўж напрамку валокнаў (з-за нізкай папярочнай трываласці), але падыходзяць для прыкладанняў, якія патрабуюць высокіх восевых характарыстык.

Тканыя або арыентаваныя ±45° лісты маюць лепшую трываласць, менш схільныя да расколін падчас апрацоўкі і падыходзяць для фармавання складанай формы.

Рэзюмэ: арыентацыя вугляроднага валакна з'яўляецца асноўным фактарам, які вызначае прадукцыйнасць яго кампазітных матэрыялаў. Распрацоўваючы кірунак размяшчэння валокнаў (аднанакіраваны, двухнакіраваны, рознанакіраваны або тканы), можна аптымізаваць механічныя, тэрмічныя і апрацоўчыя ўласцівасці лістоў з вугляроднага валакна ў розных сцэнарыях. У практычных прымяненнях адпаведная схема арыентацыі павінна быць выбрана ў адпаведнасці з патрабаваннямі да нагрузкі (напрыклад, аднавосевае расцяжэнне, шматвосевая стомленасць, удар), каб збалансаваць перавагі і абмежаванні, звязаныя з анізатрапіяй.

November 03, 2025