Переплетения углеволокна объяснены: типы, применения и преимущества

Если вы когда-либо задавались вопросом, почему один кусок углеволокна может выглядеть иначе, чем другой — вы не одни. Углеволокно поставляется во множестве разных переплетений, и каждое служит разной цели, и это не просто косметика.

Углеволоконные волокна изготавливаются из предшественников вроде полиакрилонитрила (ПАН) и вискозы. Предшественнические волокна химически обрабатываются, нагреваются и растягиваются, затем углеродируются для создания высокопрочных волокон. Эти волокна, или филаменты, затем пучкуются в товы, которые идентифицируются числом углеродных филаментов, которые они содержат. Общие рейтинги товы — 3k, 6k, 12k и 15k. «k» означает тысячу, так что 3k тов состоит из 3000 углеродных филаментов. Стандартный 3k тов обычно 0.125" шириной — это много волокон, упакованных в малое пространство. 6k тов имеет 6000 филаментов, 12k — 12000, и так далее. Это большое число высокопрочных волокон, пучкованных вместе, делает углеволокно таким прочным материалом.

Ткёное углеволокно

Углеволокно обычно поставляется в виде ткёной ткани, что делает его легче для работы и может давать дополнительную структурную прочность в зависимости от применения. Из-за этого существует много разных переплетений для ткани из углеволокна. Самые распространённые — Плоское (Plain), Кёсевое (Twill) и Атласное (Harness Satin), и мы детально рассмотрим каждое.

Плоское переплетение (Plain Weave)

Лист углеволокна с плоским переплетением выглядит симметрично с мелким шахматным узором. В этом переплетении товы переплетаются в над/под узоре. Короткое расстояние между переплетениями даёт плоскому переплетению высокий уровень стабильности. Стабильность ткани — это способность ткани сохранять угол переплетения и ориентацию волокон. Из-за этого высокого уровня стабильности плоское переплетение не подходит для укладок со сложными контурами — оно не будет таким гибким, как другие переплетения. Обычно ткани с плоским переплетением подходят для плоских листов, труб и 2D-кривых.

Один недостаток этого узора переплетения — жёсткий кримп (угол, который волокно делает при переплетении) в товах из-за короткого расстояния между переплетениями. Жёсткий кримп может создавать концентрации напряжений, которые могут ослаблять деталь со временем.

Кёсевое переплетение (Twill Weave)

Кёсевое служит мостом между плоским переплетением и атласными переплетениями, которые мы обсудим дальше. Кёсевое имеет хорошую формируемость и может принимать форму сложных контуров, и оно лучше сохраняет стабильность ткани, чем атласное переплетение, но не так хорошо, как плоское. Если следовать за нитью товы в кёсевом переплетении, она проходит над заданным числом тов, а затем под тем же числом тов. Над/под узор создаёт диагональный «стрелочный» вид, известный как «кёсевая линия». Большее расстояние между переплетениями тов означает меньше кримпов по сравнению с плоским переплетением и меньше потенциальных концентраций напряжений.

2×2 Кёсевое

4×4 Кёсевое

2×2 Кёсевое, вероятно, самое узнаваемое переплетение углеволокна в отрасли. Оно используется во многих косметических и декоративных применениях, но также имеет отличную функциональность — оно имеет и умеренную формируемость, и умеренную стабильность. Как подразумевает имя 2×2, каждый тов проходит над 2 товы, затем под 2 товы. Аналогично, 4×4 Кёсевое проходит над 4 товы, затем под 4 товы. У него немного больше формируемости, чем 2×2 Кёсевое, поскольку переплетение не такое тугоплотное, но у него также будет меньше стабильности.

Атласные переплетения (Harness Satin Weaves)

Атласное переплетение было разработано тысячелетия назад для производства шёлковых тканей с отличными драпирующими качествами, также выглядящими гладкими и бесшовными. Для композитов эта драпируемость означает, что оно легко формируется и оборачивается вокруг сложных контуров. Поскольку ткань такая формируемая, ожидаемо, у неё низкая стабильность. Распространённые атласные переплетения — 4-х нитяное атласное (4HS), 5-ти нитяное (5HS) и 8-ми нитяное (8HS). По мере увеличения номера атласного переплетения, формируемость увеличивается, а стабильность ткани уменьшается.

4HS

5HS

8HS

Число в названиях Атласных переплетений указывает общее число тов, пройденных над затем под. Для 4HS — проходит над 3 товы, затем под 1. Для 5HS — над 4, затем под 1, и 8HS — над 7, затем под 1.

Расширенный тов против стандартного това (Spread Tow vs. Standard Tow)

Материал с расширенным товом может быть хорошим компромиссом между использованием однонаправленного материала и стандартного ткёного материала. По мере того как воловой тов переплетается вверх-вниз для создания ткани, прочность снижается из-за кримпа в тове. По мере увеличения числа филаментов в стандартном тове, от 3k к 6k например, тов становится крупнее (толще) и угол кримпа становится жёстче. Один способ избежать этого — расширить филаменты в более широкий тов, это называется расширенным товом (spread tow) и есть пару выгод от этого.

Расширенный тов предлагает меньший угол кримпа, чем стандартное ткёное переплетение, и может снизить кроссовер-дефекты за счёт увеличения гладкости. Меньший угол кримпа приведёт к более высокой прочности. Материал с расширенным товом также легче в работе, чем однонаправленный материал, и всё ещё имеет достаточно хорошую предотвращение вырыва волокон.

Расширенное ткёное переплетение (Spread Tow Plain Weave)

Расширенное кёсевое переплетение (Spread Tow Twill Weave)

Однонаправленное (Uni-Directional)

Как подразумевает имя, уни — значит одно, все волокна ориентированы в одном направлении. Это даёт однонаправленной (UD) ткани некоторые преимущества высокой прочности. UD ткань не ткёная, нет переплетающихся волокон с кримпом, которые могут ослаблять структуру. Скорее, есть непрерывные волокна, увеличивающие прочность и жёсткость. Другое преимущество — возможность адаптировать укладку с лучшим контролем для характеристик производительности. Рама велосипеда — хороший пример того, как UD ткань может использоваться для настройки производительности. Рама должна быть жёсткой и ригидной в области нижнего кронштейна для передачи мощности всадника к колёсам, но рама также должна иметь некоторую комплиантность и флекс, чтобы не избивать всадника. С UD материалом вы можете выбрать точное направление волокон для получения нужной прочности.

Однако один главный недостаток UD — его обрабатываемость. UD имеет тенденцию рассыпаться довольно легко в процессе укладки, поскольку у неё нет переплетённых волокон для удержания её вместе. Если волокна размещены неверно, может быть почти невозможно корректно переориентировать их все снова. Обработка деталей, сделанных с UD тканью, также может вызывать проблемы. Если есть какой-либо вырыв волокон там, где были сделаны фичи, эти рыхлые волокна могут вырваться на всю деталь. Обычно, если UD материал выбран для укладки, слой ткёного материала используется для первого и последнего слоя для помощи в обрабатываемости и долговечности детали. Это делается для хоббийных дрон-рам вплоть до производственных ракетных деталей. Если вам понравился этот пост или есть дополнительные вопросы, оставьте комментарий ниже. Источники и референс-сайты: https://store.acpsales.com/products/3495/woven-fabric-style-guide