Объяснение переплетений из углеродного волокна:типы, применение и преимущества

Если вы когда-нибудь задумывались, почему один кусок углеродного волокна может отличаться от другого, вы не одиноки. Углеродное волокно бывает самых разных переплетений, и каждое из них служит разным целям, и это не просто косметическое применение.

Углеродные волокна производятся из таких предшественников, как полиакрилонитрил (ПАН) и вискоза. Волокна-предшественники подвергаются химической обработке, нагреванию и растяжению, а затем карбонизации для создания высокопрочных волокон. Эти волокна или нити затем связываются в жгуты, которые идентифицируются по количеству содержащихся в них углеродных нитей. Обычные рейтинги буксировки составляют 3 тыс., 6 тыс., 12 тыс. и 15 тыс. Буква «к» означает тысячу, поэтому жгут 3к состоит из 3000 углеродных нитей. Стандартный жгут 3 к обычно имеет ширину 0,125 дюйма, поэтому в небольшом пространстве помещается много волокон. Жгут 6 к содержит 6 000 углеродных нитей, жгут 12 к — 12 000 нитей и т. д. Именно такое большое количество высокопрочных волокон, связанных вместе, делает углеродное волокно таким прочным материалом.

Тканое углеродное волокно

Углеродное волокно обычно поставляется в виде тканого материала, что облегчает работу и может придать дополнительную структурную прочность в зависимости от применения. По этой причине для изготовления ткани из углеродного волокна используется множество различных переплетений. Наиболее распространенными являются однотонный, саржевый и жгутовый атлас, и мы остановимся на каждом из них более подробно.

Полотняное переплетение

Лист углеродного волокна полотняного переплетения выглядит симметрично и имеет вид небольшой шахматной доски. В этом переплетении жгуты сотканы по схеме «верх/под». Короткое расстояние между переплетениями придает полотняному переплетению высокий уровень стабильности. Стабильность ткани – это ее способность сохранять угол переплетения и ориентацию волокон.  Из-за высокого уровня стабильности полотняное переплетение плохо подходит для укладок со сложными контурами, оно не будет таким податливым, как некоторые другие переплетения. Как правило, ткани полотняного переплетения подходят для плоских листов, трубок и двумерных кривых.

Одним из недостатков этого рисунка переплетения является сильная извитость (угол, который образует волокно при переплетении, см. ниже) в жгутах из-за короткого расстояния между переплетениями. Жесткое обжатие может создать концентрацию напряжений, которая со временем может ослабить деталь.

Саржевое переплетение

Саржа служит мостом между полотняным переплетением и атласным переплетением, о котором мы поговорим дальше. Саржа обладает хорошей податливостью и может принимать сложные контуры, а также лучше сохраняет стабильность ткани, чем жгутовое атласное переплетение, но не так хорошо, как полотняное переплетение. Если вы следуете за прядью саржевого переплетения, она проходит через определенное количество жгутов, а затем под таким же количеством жгутов. Узор «над/под» создает вид диагональной стрелки, известной как «саржевая линия». Большее расстояние между переплетениями прядей означает меньшее количество извитостей по сравнению с полотняным переплетением и меньшую концентрацию потенциальных напряжений.

Саржа 2×2

Саржа 4×4

Саржа 2×2, вероятно, является самой узнаваемой тканью из углеродного волокна в отрасли. Он используется во многих косметических и декоративных целях, но также обладает большой функциональностью, умеренной пластичностью и умеренной стабильностью. Как следует из названия 2×2, каждый буксир будет проходить через два буксира, а затем под двумя буксирами. Аналогичным образом, саржа 4×4 проедет через 4 жгута, а затем под 4 жгута. Он имеет немного большую формуемость, чем саржа 2×2, поскольку переплетение не такое плотное, но и меньшая стабильность.

Атласное плетение жгутов

Атласное переплетение было разработано тысячи лет назад для изготовления шелковых тканей с превосходными драпирующими свойствами, при этом выглядящих гладкими и бесшовными. Для композитов такая драпируемость означает, что они могут легко формировать и обтекать сложные контуры. Поскольку ткань обладает такой способностью к формованию, она, как ожидается, имеет низкую стабильность. Обычное атласное переплетение состоит из 4 жгутов (4HS), атласа из 5 жгутов (5HS) и атласа из 8 жгутов (8HS). По мере увеличения количества атласных переплетений улучшится формуемость и уменьшится стабильность ткани.

4HS

5HS

8HS

Число в названии атласных жгутов указывает на общее количество пропущенных и подложенных жгутов. Для 4HS он пройдет через 3 жгута, затем под 1. Для 5HS он пройдет через 4, затем под 1, а 8HS пройдет через 7 и под 1.

Раздвинутый буксир по сравнению со стандартным буксиром

Расправленный жгут может быть хорошим компромиссом между использованием однонаправленного материала и стандартного тканого материала. Поскольку жгут волокон переплетается вверх и вниз, образуя ткань, прочность снижается из-за извитости жгута. По мере увеличения количества нитей в стандартном жгуте, например, с 3 до 6 тыс., жгут становится больше (толще), а угол обжима становится жестче. Один из способов избежать этого — разложить нити в более широкий жгут, это называется расправленным жгутом, и это дает несколько преимуществ.

Расправленный жгут обеспечивает меньший угол извитости, чем стандартный жгут, и может уменьшить дефекты пересечения за счет увеличения гладкости. Меньший угол обжима приведет к более высокой прочности. С разбросанным жгутом также легче работать, чем с однонаправленным материалом, и он при этом достаточно хорошо предотвращает вытягивание волокон.

Пугль полотняного переплетения

Саржевое переплетение с разложенной паклей

Однонаправленный

Как следует из названия, uni, что означает одно, все волокна ориентированы в одном направлении. Это дает однонаправленной (UD) ткани некоторые преимущества высокой прочности. Ткань UD не тканая, в ней нет переплетений волокон с извитостью, которая могла бы ослабить структуру. Скорее, существуют непрерывные волокна, которые увеличивают прочность и жесткость. Еще одним преимуществом является возможность адаптировать компоновку с лучшим контролем эксплуатационных характеристик. Рама велосипеда — хороший пример того, как можно использовать ткань UD для улучшения характеристик. Рама должна быть жесткой и жесткой в области каретки, чтобы передавать мощность гонщика на колеса, но рама также должна иметь некоторую податливость и гибкость, чтобы не сбивать гонщика. С материалом UD вы можете выбрать точное направление волокон, чтобы получить необходимую вам прочность.

Однако одним из основных недостатков UD является его работоспособность. UD имеет тенденцию довольно легко разваливаться во время процесса укладки, поскольку в нем нет переплетенных волокон, которые удерживали бы его вместе. Если волокна расположены неправильно, переориентировать их снова будет практически невозможно. Обработка деталей, изготовленных из ткани UD, также может вызвать проблемы. Если в месте вырезания элемента есть какие-либо волокна, эти свободные волокна могут вытянуться по всей детали. Обычно, если для укладки выбирается материал UD, в качестве первого и последнего слоев используется слой тканого материала, чтобы улучшить обрабатываемость и долговечность детали. Это то, что делается для создания корпусов дронов-любителей, вплоть до производства деталей ракет. Если вам понравился этот пост или у вас есть дополнительные вопросы, оставьте комментарий ниже.   Источники и справочные сайты:https://store.acpsales.com/products/3495/cloth-fabric-style-guide