Carbon Fiber Weaves: Hvad de er, og hvorfor man skal bruge dem

Hvis du nogensinde har undret dig over, hvorfor et stykke kulfiber kan se anderledes ud end et andet, er du ikke alene. Kulfiber kommer i mange forskellige vævninger, der hver tjener et andet formål, og det er ikke kun dekorativt.

Kulfibre er lavet af forstadier som polyacrylonitril (PAN) og rayon. Precursorfibre behandles kemisk, opvarmes og strækkes, derefter carboniseres for at skabe højstyrkefibre. Disse fibre eller filamenter bundtes derefter sammen for at danne tows, som identificeres ved antallet af kulfilamenter, de indeholder. Almindelige trækklasser er 3k, 6k, 12k og 15k. "k" betyder tusind, så et 3k træk er lavet af 3,000 carbonfilamenter. Et standard 3k blår er typisk 0.125" bredt, så pakker en masse fiber på et lille rum. Et 6k blår har 6,000 kulfilamenter, et 12k blår har 12,{{16 }} kulstoffilamenter osv. Masser af højstyrkefibre bundtet sammen er det, der gør kulfiber til et så stærkt materiale.

Vævet kulfiber
Kulfiber kommer normalt i form af et vævet stof, hvilket gør det lettere at arbejde med og afhængigt af anvendelsen kan give yderligere strukturel styrke. Som et resultat kommer kulfiberstoffer i mange forskellige vævninger. De mest almindelige er solid, twill og båndsatin, og vi vil se på hver enkelt mere detaljeret.

almindelig vævning
De almindeligt vævede kulfiberpaneler fremstår symmetriske med et lille skakternet udseende. I denne vævning er slæderne vævet i et over/under mønster. Den korte afstand mellem vævningerne giver glatvævningen en høj grad af stabilitet. Stofstabilitet er et stofs evne til at bevare sin vævningsvinkel og fiberorientering. På grund af dette høje stabilitetsniveau er almindelig vævning mindre egnet til komplekse konturerede layups, den vil ikke være så fleksibel som nogle andre vævninger. Generelt er almindelig vævning velegnet til flade plader, rør og todimensionelle kurver.

En ulempe ved dette vævningsmønster er ru krympning (den vinkel fibrene danner ved vævning, se nedenfor) i blåret på grund af den korte afstand mellem sammenvævningerne. Grove krympninger skaber stresskoncentrationer, der kan svække delen over tid.

Twill vævning
Twill fungerer som en bro mellem den almindelige vævning og den satinvævning, vi vil diskutere næste gang. Twill er fleksibel nok til at danne komplekse konturer og er bedre til at opretholde stofstabilitet end sadelsatinvævning, men ikke så god som almindelig vævning. Følger man et slæb i twill, går det gennem et vist antal slæb og derefter gennem det samme antal slæb. Ovenstående/nedenstående mønster skaber en diagonal pilespids, kendt som en "diagonal linje". Den længere afstand mellem tow interweaves betyder mindre krympning og mindre potentiel spændingskoncentration sammenlignet med en almindelig vævning.

2×2 Twill

4×4 Twill
2×2 Twill er nok det bedst kendte kulfiberstof i branchen. Det bruges i mange kosmetiske og dekorative applikationer, men er også yderst funktionelt, det har både moderat formbarhed og moderat stabilitet. Som navnet på 2×2 antyder, vil hvert slæb passere gennem 2 slæb og derefter gennem 2 slæb. Ligeledes vil en 4×4 twill gå gennem 4 slæb og derefter 4 slæb. Den er lidt mere formbar end 2×2 twill, fordi vævningen ikke er så stram, men den er også mindre stabil.

Sele satinvævning
Satinvævningen blev udtænkt for tusinder af år siden for at skabe silkestoffer, der har fremragende drapering, mens de ser glatte og sømløse ud. For kompositmaterialer betyder denne draperbarhed, at den let kan danne og pakke komplekse konturer. På grund af dette stofs høje formbarhed forventes det at have lav stabilitet. De almindelige vævninger er fire-haddle (4HS), fem-haddle (5HS) og otte-haddle (8HS). Efterhånden som antallet af satinvævninger øges, øges formbarheden, mens stoffets stabilitet falder.

4HS

5HS

8HS

Nummeret i Sele Satin-navnet angiver det samlede antal beståede slæb. For 4HS vil det være over 3 slæb og derefter under 1 slæb. For 5HS vil det være over 4 slæb, derefter under 1 slæb, og for 8HS vil det være over 7 slæb og derefter under 1 slæb.

Spredt træk vs. standard træk
Sprede trækmaterialer kan være et godt kompromis mellem at bruge ensrettede materialer og standardvævede materialer. Når fibertows væves op og ned for at danne et stof, reduceres styrken på grund af krympninger i tows. Når du øger antallet af filamenter i et standardtræk, f.eks. fra 3k til 6k, bliver slæbet større (tykkere), og krympevinklen bliver skarpere. En måde at undgå dette på er at sprede filamenterne i bredere blår, kendt som spredte blår, hvilket har flere fordele.

Spredte blår giver en mindre krympevinkel end standard trækfletninger og kan reducere krydsningsdefekter ved at øge glatheden. Lavere krympevinkler vil resultere i højere styrke. Sprede trækmaterialer er også nemmere at arbejde med end ensrettede materialer og har stadig ret god fiberoptræksforebyggelse.

Spred almindeligt slæb

Spredt tow twill vævning
ensrettet
Som navnet antyder, betyder uni én, og alle fibrene vender i samme retning. Dette giver nogle højstyrkefordele til ensrettede (UD) stoffer. UD-stof er ikke vævet og har ingen krympede sammenvævede fibre, der ville svække strukturen. I stedet er der kontinuerlige fibre, der tilføjer styrke og stivhed. En anden fordel er muligheden for at tilpasse stackup'en med større kontrol over ydeevnekarakteristika. Et cykelstel er et godt eksempel på, hvordan UD-stoffer kan bruges til at justere ydeevnen. Rammen skal være stiv i bundbeslagets område for at overføre rytterens kraft til hjulene, men den skal også være medgørlig og fleksibel for ikke at overvælde rytteren. Med UD-materialer kan du vælge den præcise orientering af fibrene for at opnå den ønskede styrke.

En stor ulempe ved UD er dens manøvredygtighed. UD falder let fra hinanden under oplægningen, fordi den ikke har nogen sammenflettede fibre til at holde den sammen. Hvis fibrene er placeret forkert, er det næsten umuligt at omorientere dem korrekt igen. Bearbejdede dele lavet af UD-stoffer kan også give problemer. Hvis nogen fibre trækkes op, hvor funktionen blev skåret, vil de løse fibre blive trukket op hele vejen gennem delen. Typisk, hvis et UD-materiale vælges til oplægning, bruges et lag af vævet materiale til det første og sidste lag for at forbedre bearbejdeligheden og delens holdbarhed. Dette er, hvad hobbydronerammer gør hele vejen til produktion af raketdele.