Kodėl anglies pluošto vamzdžiai tokie lengvi? Supraskite jų mažo tankio priežastį

Kodėl anglies pluošto vamzdžiai tokie lengvi?

Anglies pluošto vamzdžiai plačiai naudojami aviacijos ir kosmoso konstrukcijose, UAV rėmuose, robotų rankose, meškerėse, kamerų atramose, medicinos įrangoje, automatikos mašinose, sporto įrangoje ir kitose srityse, kur svarbus konstrukcijos svoris. Jų populiarumą lemia mažo tankio, didelio standumo, didelio atsparumo tempimui, atsparumo korozijai ir galimybės pritaikyti pluošto orientaciją pagal taikomų apkrovų kryptį derinys.

Tačiau kodėl anglies pluošto vamzdžiai yra tokie lengvi? Atsakymas yra ne tik tai, kad anglies pluoštas yra „lengvesnis už metalą“. Lengvas anglies pluošto vamzdžio elgesys atsiranda dėl sąveikos tarp medžiagos tankio, vamzdinės geometrijos, pluošto orientacijos, pluošto tūrio dalies, dervos kiekio ir gamybos technologijos.

Tipiško didelio -stiprumo anglies pluošto, pvz., Toray T700S, pluošto tankis yra 1,80 g/cm³, tempiamasis stipris yra 4 900 MPa, tempimo modulis 230 GPa, o gijos skersmuo yra maždaug 7 μm. „Toray“ taip pat praneša apie normalizuotas T700S / epoksidinių medžiagų kompozito savybes esant 60 % pluošto tūrio, įskaitant 2,{11}} MPa tempimo stiprumą ir 134 GPa tempimo modulį.

Šie skaičiai padeda paaiškinti, kodėl anglies pluošto vamzdžiai gali pasiekti aukštą struktūrinį efektyvumą nereikalaujant masės, susijusios su tradiciniais metalais.

Tačiau yra svarbus skirtumas: anglies pluoštas yra armatūra, o anglies pluošto vamzdis paprastai yra sudėtinė struktūra. Užbaigtame vamzdyje yra anglies pluošto, polimerinės dervos ir kartais papildomų paviršiaus arba šerdies medžiagų. Todėl galutinis jo tankis ir mechaninės savybės priklauso nuo visos gamybos konstrukcijos.

Tolesniuose skyriuose nagrinėjami lengvųjų anglies pluošto vamzdžių mokslai, paaiškinama atitinkama inžinerijos terminija, anglies pluošto vamzdžiai lyginami su įprastais metalais ir aptariamos praktinės gamybos problemos bei sprendimai.

Koks yra anglies pluošto vamzdžių tankis?

Tankis yra atskaitos taškas norint suprasti lengvas medžiagas. Inžinerijoje tankis apibrėžiamas kaip masė tūrio vienetui: ρ=m / V, kur ρ yra tankis, m yra masė ir V yra tūris. Mažesnio tankio medžiagoje tame pačiame tūryje yra mažiau masės. Anglies pluoštas yra ypač patrauklus, nes komercinio pluošto tankis paprastai yra apie 1,75–1,90 g/cm³, priklausomai nuo rūšies ir struktūros. Toray T700S yra naudinga pramoninė nuoroda. Jo paskelbtas pluošto tankis yra 1,80 g/cm³, o jo tempiamasis stipris yra 4900 MPa, o tempimo modulis yra 230 GPa. „Hexcel“ paskelbti PAN anglies{14}}pluošto duomenys taip pat rodo, kad didelio našumo{15}}anglies pluoštas paprastai išlieka artimas šiam tankio diapazonui. Pavyzdžiui, jo techniniai duomenys nurodo AS4 apie 1,79 g/cm³, IM7 apie 1,80 g/cm³ ir HM63 apie 1,76 g/cm³.

Palyginimui, įprastos konstrukcinės medžiagos turi labai skirtingą tankį.

Gatavų anglies pluošto vamzdžių inžinieriai neturėtų tiesiog nukopijuoti pluošto tankio iš anglies pluošto duomenų lapo. Vamzdelyje taip pat yra dervos.

Todėl galutinis vamzdžio tankis priklauso nuo:

• Anglies pluošto klasė
• Dervos tankis
• Pluošto tūrio dalis
• Tuščias turinys
• Pluošto orientacija
• Vamzdžio sienelės storis
• Gamybos procesas
• Paviršiaus dangos
• Įdėklai arba papildomos medžiagos

Šis skirtumas ypač svarbus lyginant mažo tankio anglies pluošto vamzdžius su aliuminio arba plieno vamzdžiais. Teisingai reikia palyginti gatavus komponentus, kuriems taikomi lygiaverčiai struktūriniai reikalavimai{1}}ne tik žaliavinį pluoštą ir metalą.

Kodėl dėl vamzdinės formos anglies pluošto vamzdžiai yra dar svaresni{0}}efektyvesni?

Antroji priežastis, dėl kurios anglies pluošto vamzdžiai yra lengvi, yra jų geometrija. Vamzdžio skerspjūvyje neturi būti kietos medžiagos. Vietoj to, didžioji jo konstrukcinės medžiagos dalis yra išdėstyta aplink išorinį perimetrą, sukuriant didelį antrąjį ploto momentą, dar vadinamą srities inercijos momentu. Tai geometrinė savybė, nusakanti, kaip efektyviai skerspjūvis paskirsto medžiagą lenkimo ašies atžvilgiu. Lenkimui, judant medžiagą toliau nuo neutralios ašies, galima žymiai padidinti lenkimo standumą, proporcingai nedidinant masės.

Tai paaiškina, kodėl vamzdžiai plačiai naudojami tokiose konstrukcijose kaip:

• UAV ginklai
• Dviračių rėmai
• Robotinės nuorodos
• Kameros strėlės
• Teleskopiniai stulpai
• Meškerės
• Orlaivių erdvės konstrukciniai elementai
• Varomieji velenai Pramoniniai volai

Kaip dėl orientacijos į pluoštą anglies pluošto vamzdžiai tampa stiprūs, tačiau jų neapsunkina?

Trečia pagrindinė priežastis yra pluošto orientacija. Anglies pluoštas yra labai anizotropinis. Tai reiškia, kad jo mechaninės savybės skiriasi priklausomai nuo krypties. „Toray“ T700S iliustruoja skirtumą tarp pluošto-lygio ir skersinio sudėtinio veikimo. Pluošto tempiamasis stipris yra 4 900 MPa, o modulis 230 GPa, o normalizuoto 60 % -pluošto- tūrio epoksidinio kompozito 0 laipsnių tempiamasis stipris yra 2, 860 MPa, o tempimo modulis 134 GPa. Šio kryptingo veikimo priežastis yra anglies pluošto orientacija. Vamzdžiui, kuriam pirmiausia taikoma ašinė įtampa, pluoštai yra orientuoti beveik 0 laipsnių kampu, lygiagrečiai vamzdžio ašiai. Vamzdis, veikiamas sukimo, reikalauja reikšmingo ±45 laipsnių armatūros, nes šie pluoštai efektyviai išlaiko šlyties įtempius. Slėginiam indui gali prireikti sutvirtinimo į lanką, nes perimetrinė įtampa tampa svarbi.

Todėl praktiškas anglies pluošto vamzdis gali būti naudojamas keliomis kryptimis:

• 0 laipsnis: ašinis standumas ir atsparumas tempimui
• ±45 laipsniai: sukimo ir šlyties charakteristikos
• 90 laipsnių: skersinis stabilumas ir lanko sutvirtinimas
• Hibridiniai išdėstymai: subalansuokite kelis apkrovos atvejus

Tai yra pagrindinis skirtumas nuo įprastų izotropinių metalų. Plieninis vamzdis paprastai turi gana panašias savybes skirtingomis kryptimis. Anglies pluošto vamzdis gali būti sukonstruotas taip, kad sutvirtinimas būtų sutelktas ten, kur iš tikrųjų atsiranda apkrovų.

Koks anglies pluošto vamzdžių stiprumo{0}}svorio ir{1}}svorio santykis su aliuminio ir plieno?

Stiprumo{0}}ir-svorio santykis yra viena iš svarbiausių lengvųjų konstrukcijų inžinerijos koncepcijų. Techninis terminas yra specifinis stiprumas, kuris paprastai išreiškiamas kaip tempiamasis stipris, padalytas iš tankio. Panašus parametras, specifinis standumas, lygina Youngo modulį su tankiu. Kaip pavyzdį naudojant Toray's T700S pluoštą: tempiamasis stipris=4,900 MPa Tankis=1.80 g/cm³ Tempimo modulis=230 GPa Šios savybės sukuria labai aukštą pluošto{10}lygio specifinį stiprumą ir specifinį standumą. Tačiau inžinieriai turėtų būti atsargūs atlikdami tiesioginius palyginimus. Anglies pluošto vamzdis yra laminato kompozitas, o aliuminio arba plieno vamzdis paprastai yra izotropinė metalinė struktūra. Galutinis veikimas priklauso nuo sienelės storio, skersmens, gamybos proceso, jungčių, vietinio įlinkio, atsparumo smūgiams ir apkrovos krypties.

DOE tyrimai nustato, kad anglies pluošto kompozitai yra viena iš pažangių lengvų medžiagų, galinčių žymiai sumažinti masę. Jos transportavimo medžiagų programoje apskaičiuota, kad anglies pluošto kompozitai galėtų sumažinti kai kurių komponentų svorį maždaug 50–70%, kartu pažymėdami išlaidas, sujungimą, modeliavimą ir perdirbimą kaip svarbias kliūtis. DOE taip pat teigia, kad 10 % sumažinus transporto priemonės svorį degalų sąnaudos gali padidėti maždaug 6–8 %, nors tikrieji sistemos{7} lygio rezultatai priklauso nuo transporto priemonės konstrukcijos ir eksploatavimo sąlygų.

Tai parodo, kodėl lengvi anglies pluošto vamzdžiai yra vertingi už paties vamzdžio. Sumažinus judančios roboto rankos, UAV strėlės, pavaros veleno ar kosminės erdvės konstrukcijos masę, gali sumažėti kitų komponentų apkrova.

Pavyzdžiui, lengvesnė roboto jungtis gali sumažinti pavaros reikalavimus. Lengvesnė UAV strėlė gali sumažinti konstrukcinę masę, kurią reikia nuolat kelti. Lengvesnis besisukantis velenas gali sumažinti sukimosi inerciją. Todėl tikroji anglies pluošto vamzdžių nauda dažnai yra sistemos- masės mažinimas, o ne vien vieno komponento lengvinimas.

Kodėl anglies pluošto vamzdžiai gali būti lengvi, neprarandant standumo?

Lengvas svoris dažnai kelia susirūpinimą: jei vamzdis taps plonesnis, ar jis taps per lankstus? Atsakymas priklauso nuo to, ar konstrukcija yra valdoma stiprumo ar standumo. Stiprumas susijęs su tuo, ar komponentas gali be gedimų atlaikyti taikomą apkrovą. Standumas priklauso nuo to, kiek komponentas deformuojasi veikiant šiai apkrovai.

Daugeliui anglies pluošto vamzdžių reikiamą sienelės storį lemia standumas, o ne didžiausias tempiamasis stipris.

Tai ypač svarbu:

• Robotinės rankos
• UAV strėlės
• Kameros atraminiai vamzdeliai
• Tikslios mašinos dalys
• Teleskopinės konstrukcijos
• Antenos atramos
• Optinė įranga
• Automatikos įranga

Komponentas gali turėti pakankamai tempimo stiprumo, bet vis tiek pernelyg deformuotis. Pavyzdžiui, roboto rankos per didelis įlinkis gali sumažinti padėties nustatymo tikslumą, net jei vamzdis nepriartėja prie gedimo apkrovos. Todėl didelis anglies pluošto modulis gali būti labai vertingas. Toray praneša, kad T700S pluošto modulis yra 230 GPa ir normalizuotas kompozitinis tempimo modulis 134 GPa, esant 60% pluošto tūriui. Techninė anotacija - Youngo modulis: Youngo modulis matuoja elastinį standumą. Didesnis modulis paprastai reiškia mažesnę elastinę deformaciją esant tam tikram įtempiui medžiagos tamprumo diapazone. Tačiau vamzdžio standumą lemia ne vien modulis.

Tai taip pat priklauso nuo:

• Vamzdžio skersmuo
• Sienelės storis
• Skerspjūvio{0}}geometrija
• Pluošto orientacija
• Paramos sąlygos
• Vamzdžio ilgis
• Krovimo kryptis

Todėl išorinio skersmens padidinimas kartais gali pagerinti lenkimo standumą veiksmingiau nei tiesiog padidinus sienelės storį. Tai viena iš priežasčių, kodėl didelio-skersmens, plonasieniai-anglies pluošto vamzdžiai tampa vis patrauklesni lengvoms konstrukcijoms. Projektuotojas gali išnaudoti tiek didelį medžiagos specifinį standumą, tiek geometrinį vamzdinio skerspjūvio -efektyvumą.

Kaip gaminami lengvi anglies pluošto vamzdžiai?

Gamybos procesas stipriai veikia galutinį anglies pluošto vamzdžių svorį ir mechanines savybes. Plačiai naudojamos kelios gamybos technologijos.

1. Pultrusion Pultrusion nuolat traukia anglies pluoštus per dervos sistemą ir šildomą formavimo štampą.

Jis ypač tinka:

• Tiesi strypai
• Vamzdžiai
• Profiliai
• Konstrukcinės sijos
• Nuolatinė gamyba

Dėl traukimo galima gauti labai nuoseklius{0}}skerspjūvius ir tvirtą išilginį sutvirtinimą.

2. Gijos vyniojimas Apvyniojus siūlą, ištisiniai derva{1}}įmirkyti pluoštai aplink įtvarą kontroliuojamais kampais dedami.

Jis ypač tinka:

• Vamzdžiai
• Slėginiai indai
• Varomieji velenai
• Cilindrinės konstrukcijos

Apvijos kampas gali būti optimizuotas pagal ašinę, lanko ir sukimo apkrovą.

3. Ritinio vyniojimas Apvyniojant ritinius naudojamas prepreg arba anglies pluošto audinys, apvyniotas aplink šerdį.

Jis dažniausiai naudojamas:

• Anglies pluošto vamzdžiai
• Teleskopiniai vamzdžiai
• Sporto inventorius
• Kameros stulpai
• Pramoniniai konstrukciniai vamzdžiai

Išvada

Anglies pluošto vamzdžiai yra lengvi, nes anglies pluoštas turi mažą tankį, tuo pačiu užtikrinant puikų stiprumą ir standumą. Jų tuščiavidurė struktūra dar labiau sumažina nereikalingų medžiagų kiekį neprarandant konstrukcijos savybių. Optimizuodami pluošto orientaciją ir vamzdžio dizainą, gamintojai gali pasiekti aukštą stiprumo -ir-svorio santykį. Dėl šių pranašumų anglies pluošto vamzdžiai idealiai tinka bepiločiams orlaiviams, robotikai, kosmoso, sporto įrangai, automatikos mechanizmams ir kitoms lengvoms konstrukcijoms.

Susisiekite su mumis

Ieškote lengvo, didelio{1}}stiprumo anglies pluošto vamzdžių savo projektui? Siūlome pasirinktinius dydžius, formas, paviršiaus apdorojimą ir pluošto orientaciją, kad patenkintume įvairius taikymo poreikius. Susisiekite su mumis šiandien el. paštu: sales18@julitech.cn arba WhatsApp +86 18822947075 dėl profesionalių medžiagų sprendimų, konkurencingų kainų ir greito techninio palaikymo. Papasakokite apie savo poreikius-mes padėsime įgyvendinti jūsų dizainą.

Nuorodos

Toray Composite Materials America - TORAYCA™ T700S anglies pluošto duomenų lapas

JAV Energetikos departamentas - Lengvos medžiagos automobiliams ir sunkvežimiams

Pateikiami lyginamieji T700S, T700G, T800H ir kitų anglies pluošto rūšių techniniai duomenys.