Priešprisotintas anglies pluoštas: pažangaus inžinerinio taikymo medžiaga pagal pasirinkimą

Kas yra priešprisotintas anglies pluoštas?

Paprastai tariant, prepregas yra anglies pluošto „pusgaminių“ produktas. Jis susideda iš anglies pluošto siūlų, sujungtų su dėžės (rezino) matrica. Figūriškai tariant: anglies pluoštas veikia kaip „armatūra“, suteikdama stiprumo ir standumo; rezinas veikia kaip „cementas“, sujungdamas pluoštus, perduodamas apkrovas ir užtikrindamas apsaugą. Nors rezinas sudaro tik apie 30 procentų medžiagos svorio, jis tiesiogiai nulemia galutinio produkto smūgio atsparumą, temperatūros atsparumą ir liepsnoatsparumo klasifikaciją.

Šis „audinys“ paprastai būna tik 0,1 milimetro storio – tiek pat, kiek vieno A4 formato lapo. Tačiau būtent šis itin plonas prepregas, dedamas sluoksnis po sluoksnio (kartais virš 300 sluoksnių), galiausiai sudaro „šarvus“ kritinėms konstrukcinėms detalėms, tokioms kaip lėktuvų sparnai ir korpusai.

Lengvas: lengvesnis nei aliuminio lydinys, tačiau stipresnis nei plienas

Karbono pluošto pritaikytų medžiagų (prepregs) labiausia privalumą sudaro jų itin didelis specifinis stipris ir specifinis standumas. Tyrimų duomenys rodo, kad jų tankis yra tik penktadalis plieno tankio ir pusė aliuminio lydinių tankio, tuo tarpu jų tempimo stipris siekia apie 990 MPa, o tempimo modulis – apie 87 GPa; jų specifinis stipris gali būti daugiau kaip 2,2 karto didesnis už plieno specifinį stiprį.

Tai reiškia, kad išlaikant tokį pat stiprumo lygį konstrukcijos svoris gali būti žymiai sumažintas. Oro laivų pramonėje naudojant anglies pluošto pusrūdžius komponentams, tokiems kaip korpusai ir sparnai, gaminti, galima pasiekti svorio sumažėjimą daugiau nei 30 procentų. Pavyzdžiui, dviejų aplinkų (oro ir vandens) lėktuvuose, tokiuose kaip AG600 „Kunlong“, vien tik kompozitinių komponentų svorio sumažėjimas atitinka penkių–šešių žmonių svorį, kuris žymiai pagerina manevringumą ir kuro naudingumą. Naujosios energijos transporto priemonių srityje naudojant T800 klasės anglies pluošto pusrūdžius baterijų korpusams gaminti taip pat galima pasiekti 30–50 procentų svorio sumažėjimą.

Didelis stiprumas ir didelis tvirtumas: sprendžiamas ‚kietumo ir lankstumo derinimo‘ uždavinys

Paprasčiausias svorio mažinimas nepakanka, kad būtų įveikti aukšto lygio sektoriai, pvz., aviacijos ir kosmonautikos pramonė. Pagrindinė iššūkį kėlusios problemos, kurią tikrai įveikė priešpradėtinės (prepreg) technologijos, yra medžiagos tempimo stiprio ir smūginės atsparumo vienu metu padidinimas.

Tradiciniai anglies pluošto kompozitai dažnai susiduria su „netinkamo tempimo ir gniuždymo savybių derinio“ siauruoju plyšiu. Per technologinius pralūžius vietinės įmonės sukūrė visiškai naują, projektavimu grindžiamą techninį požiūrį, kuris padidina gniuždymo–tempimo stiprio santykį daugiau kaip 10 procentų, neprarandant tempimo stiprio, taip veiksmingai pašalinant mechaninių savybių trūkumus T800 klasės anglies pluošto kompozituose. Ši technologija sėkmingai taikoma kinų gamybos didžiųjų lėktuvų pagrindinių komponentų gamyboje, pvz., kabinos durų ir užpakalinės korpuso dalies.

Dėl stiprinimo, naudojant termoplastinius stiprinimo agentus ir tiksliai kontroliuojant termoplastinių dalelių tarp sluoksnių pasiskirstymą, priešformuotų sluoksniuotų medžiagų kompresinė stiprybė po smūgio (CAI) gali siekti daugiau nei 280 MPa, kuriamas reikšmingai padidintas konstrukcijos saugos rezervas po smūgio.

Technologinė pritaikomumas: pagrindinis veiksnys, leidžiantis peršokti nuo laboratorinio tyrimo prie masinės gamybos

Priešformuotos sluoksniuotos medžiagos tapo inžinerinėse aplikacijose renkamomis medžiagomis dėl jų subrendusių gamybos procesų ir vis labiau plečiamų formavimo galimybių.

Tradiciniai autoklavų formavimo procesai užtikrina išskliaustinai aukštą vidinę kokybę – porų kiekis gali būti mažesnis nei 0,06 procento. Šiandien vis daugėja iš autoklavų nepriklausomų (OoA) priešformuojamųjų medžiagų technologijų, kurios jau pasiekė brandos lygį: po formavimo porų kiekis gali būti kontroliuojamas taip, kad jis neviršytų 0,11 procento (žymiai žemiau kritinio slenksčio, kai pradeda blogėti mechaninės savybės), o mechaninės savybės beveik nepasikeičia palyginus su tradiciniais autoklavų procesais. Tai žymiai sumažina gamybos kaštus ir formavimo apribojimus, leisdama gaminti didelius, apkrovos nešančius konstrukcinius komponentus orlaiviams be pilotų.

Tuo pat metu atsirado greitai kietėjantys prepregų sistemos, kad būtų tenkinamos masinės gamybos reikalavimai. Pavyzdžiui, Toray 3960-FC sistema gali sumažinti kietėjimo laiką iki 45 procentų, vienu metu išlaikydama pradines aukštas smūgio atsparumo ir stiprumo savybes. Ji suderinama su įvairiais automatizuotais procesais, įskaitant automatinį pluošto dėjimą (AFP), automatinį juostos dėjimą (ATL) ir kompresinį formavimą, todėl tenkina kitos kartos komercinių lėktuvų ir pažangios oro transporto platformų didelės našumo gamybos reikalavimus.

Perspektyvos ateities taikymams

Šiuo metu taikymas ang angliesių anglies pluošto priešpradžių rinka sparčiai plečiasi už tradicinių sektorių, tokių kaip aviacija ir krašto gynimas, į rinkas, kurios apima žemąsias oro erdves, naujosios energijos transporto priemones, vėjo jėgainių mentes ir vartotojų elektroniką. Kai vidinės priešpradžių technologijos toliau tobulėja ir kainos nuolat optimizuojamos, šis pažangus „lengvasis, stiprus“ medžiagų sprendimas taps pageidaujamu ir būtinu sprendimu vis daugėjančiose inžinerinėse programose.