Плетіння з вуглецевого волокна: що це таке і навіщо їх використовувати

Якщо ви коли-небудь замислювалися, чому один шматок вуглецевого волокна може виглядати інакше, ніж інший, ви не самотні. Вуглецеве волокно має багато різних плетінь, кожне з яких служить різним цілям, і воно не лише декоративне.

Вуглецеві волокна виготовляються з таких попередників, як поліакрилонітрил (PAN) і віскоза. Попередні волокна хімічно обробляють, нагрівають і розтягують, а потім карбонізують для створення високоміцних волокон. Потім ці волокна, або нитки, з’єднуються разом, утворюючи джгути, які ідентифікуються за кількістю вуглецевих ниток, які вони містять. Загальні класи буксирування: 3k, 6k, 12k і 15k. "k" означає одну тисячу, тому 3k жгут складається з 3000 вуглецевих ниток. Стандартний джгут 3k зазвичай має ширину 0.125 дюймів, тому вміщує багато волокон у невеликий простір. джгут 6k має 6,000 вуглецевих ниток, джгут 12k має 12,{{16 }} вуглецеві нитки і т. д. Велика кількість високоміцних волокон, об’єднаних разом, робить вуглецеве волокно таким міцним матеріалом.

Ткане вуглецеве волокно
Вуглецеве волокно зазвичай поставляється у формі тканої тканини, що полегшує роботу з ним і, залежно від застосування, може забезпечити додаткову міцність конструкції. Як результат, тканини з вуглецевого волокна мають багато різних плетінь. Найпоширенішими є однотонний, саржевий і стрічковий атлас, і ми розглянемо кожен з них докладніше.

полотняного переплетення
Панелі з вуглецевого волокна гладкого переплетення виглядають симетрично, у вигляді невеликої шахової дошки. У цьому переплетенні джгути плетуться за візерунком зверху/знизу. Короткий відстань між переплетеннями надає полотняному переплетенню високий ступінь стабільності. Стійкість тканини — це здатність тканини зберігати кут переплетення та орієнтацію волокон. Завдяки цьому високому рівню стабільності полотняне переплетення менш підходить для складних контурів, воно не буде таким гнучким, як деякі інші переплетення. Загалом полотняне переплетення підходить для плоских листів, труб і двовимірних кривих.

Одним із недоліків цього візерунка є груба звивистість (кут, який утворюють волокна під час плетіння, див. нижче) у джгуті через коротку відстань між переплетеннями. Грубий обжим створює концентрацію напруги, яка з часом може послабити деталь.

Саржеве переплетення
Саржа діє як міст між полотняним переплетенням і атласним переплетенням, про які ми поговоримо далі. Саржа є достатньо гнучкою, щоб утворювати складні контури, і краще підтримує стабільність тканини, ніж сідлоподібне атласне переплетення, але не так добре, як полотняне переплетення. Якщо йти за джгутом у саржі, то він проходить через певну кількість джгутів, а потім через стільки ж джгутів. Вище/нижче шаблон створює вигляд діагональної стрілки, відомої як «діагональна лінія». Більша відстань між переплетеннями джгута означає менше згинання та меншу потенційну концентрацію напруги порівняно з полотняним переплетенням.

2×2 саржа

4×4 саржа
2×2 Twill, мабуть, найвідоміша тканина з вуглецевого волокна в галузі. Він використовується в багатьох косметичних і декоративних цілях, але також дуже функціональний, має як помірну формувальність, так і помірну стабільність. Як випливає з назви 2×2, кожен буксир проходитиме через 2 буксири, а потім через 2 буксири. Подібним чином саржа 4×4 пройде через 4 буксири, а потім 4 буксири. Він трохи краще формується, ніж саржа 2×2, оскільки плетіння не таке щільне, але воно також менш стабільне.

Жгут атласного плетіння
Атласне переплетення було розроблено тисячі років тому для створення шовкових тканин, які мають чудову драпіровку, але виглядають гладкими та безшовними. Для композитів ця здатність до драпірування означає, що він може з легкістю формувати та обертати складні контури. Через високу формувальність цієї тканини очікується, що вона матиме низьку стабільність. Звичайні переплетення — чотириголове (4HS), п’ятиголовне (5HS) і восьмиголовне (8HS). Зі збільшенням кількості атласних переплетень формоздатність збільшується, а стабільність тканини зменшується.

4HS

5HS

8HS

Число в назві Harness Satin вказує на загальну кількість пройдених буксирів. Для 4HS це буде понад 3 буксирування, а потім менше 1 буксирування. Для 5HS це буде більше 4 буксирувань, потім менше 1 буксирування, а для 8HS це буде більше 7 буксирувань, а потім менше 1 буксирування.

Поширений буксир проти стандартного буксира
Розкладені джгути можуть бути гарним компромісом між використанням односпрямованих матеріалів і стандартних тканих матеріалів. Коли волокнисті джгути сплітаються вгору та вниз для формування тканини, міцність знижується через звивистість джгутів. Коли ви збільшуєте кількість ниток у стандартному джгуті, скажімо, з 3k до 6k, джгут стає більшим (товщим), а кут обжиму стає гострішим. Один із способів уникнути цього — розкласти нитки на ширші джгути, відомі як розкладені джгути, що має кілька переваг.

Розширені джгути забезпечують менший кут обжиму, ніж стандартні джгути, і можуть зменшити дефекти перетину за рахунок збільшення гладкості. Менші кути обжиму призведуть до більшої міцності. З розстеленими джгутами також легше працювати, ніж з односпрямованими матеріалами, і вони все ще мають досить хороший захист від витягування волокон.

Настелити звичайну клоччя

Розстелити куделю саржеве переплетення
односпрямований
Як випливає з назви, uni означає один, і всі волокна спрямовані в одному напрямку. Це забезпечує деякі переваги високої міцності односпрямованих (UD) тканин. Тканина UD неткана і не має зморщених переплетених волокон, які б послаблювали структуру. Натомість є безперервні волокна, які додають міцності та жорсткості. Ще однією перевагою є можливість налаштувати стек із більшим контролем над характеристиками продуктивності. Велосипедна рама є чудовим прикладом того, як тканини UD можна використовувати для налаштування продуктивності. Рама має бути жорсткою в області нижнього кронштейна, щоб передавати силу водія на колеса, але вона також має бути податливою та гнучкою, щоб не перевантажувати водія. З матеріалами UD ви можете вибрати точну орієнтацію волокон для досягнення бажаної міцності.

Важливим недоліком UD є його маневреність. UD легко розпадається під час укладання, оскільки не має переплетених волокон, які б утримували його разом. Якщо волокна розміщені неправильно, майже неможливо знову їх правильно переорієнтувати. Оброблені деталі, виготовлені з UD-тканини, також можуть викликати проблеми. Якщо будь-які волокна витягнуто вгору в місці зрізу, ці вільні волокна будуть витягнуті вгору через всю частину. Як правило, якщо для накладання вибрано матеріал UD, для першого й останнього шарів використовується шар тканого матеріалу для покращення технологічності та довговічності деталей. Це те, що роблять рами дронів-аматорів аж до виробництва частин ракет.