Oglekļa šķiedru pastiprināta plastmasa (CFRP): īpašības un pielietojums
Ar oglekļa šķiedru pastiprināta plastmasa (CFRP, angļu: Carbon-Fibre Reinforced Polymer; bieži saukta arī par CRP) ir ļoti izturīgs, viegls un relatīvi dārgs kompozītmateriāls jeb ar šķiedru pastiprināta plastmasa. Līdzīgi kā ar stiklu stiegrotajai plastmasai, arī šādos kompozītmateriālos struktūru galvenokārt nodrošina pastiprinošās šķiedras — parasti oglekļa šķiedras. Plastmasa visbiežāk ir epoksīdsveķu plastmasa, bet atkarībā no pielietojuma izmanto arī poliesterus, vinilēsterus vai neilonu. Dažos kompozītmateriālos ir gan oglekļa šķiedras, gan citas šķiedras — piemēram, kevlara, alumīnija vai stikla šķiedras — lai panāktu optimālu kombināciju starp izturību, triecienizturību un svaru. Retāk lietotie nosaukumi ir ar grafītu pastiprināta plastmasa vai ar grafīta šķiedrām pastiprināta plastmasa (GFRP).
Oglekļa šķiedru kompozītus plaši izmanto kosmiskās un aviācijas nozarēs, autobūvē, laivu būvēšanā un, īpaši, sporta ekipējumā — velosipēdos, motociklos un buru laivās, kur svara samazināšana un augsta izturība ir kritiskas. Tos arī arvien biežāk ievieš mazākās patēriņa precēs, piemēram, klēpjdatoros, statīvos, makšķerēs, peintbola aprīkojumā, rakešu un sporta rāmjos, stīguinstrumentu korpusos, klasiskās ģitāras stīgās un bungu korpusos.
Galvenās īpašības
- Augsta izturība pret vilkmi: oglekļa šķiedras nodrošina ļoti augstu stiepes izturību salīdzinoši ar nelielu svaru.
- Augsta stingrība (modulis): CFRP ir ļoti stīvs materiāls šķiedru virzienā; konstrukcijas īpašības ir anizotropiskas (atšķiras atkarībā no šķiedru orientācijas).
- Zems blīvums: salīdzinot ar metāliem, CFRP ir daudz vieglāks, kas ir nozīmīgs ieguvums transporta nozarēs.
- Korozijas noturība: polimēra matriksa dēļ CFRP labi iztur ķīmisku koroziju, bet savienojumi ar metāliem var radīt ģalvaniskas problēmas.
- Termiskās īpašības: oglekļa šķiedras parasti ir labi siltumvadītājas šķiedru virzienā, taču kopējais siltumvadītspējas raksturs un darbības temperatūra lielā mērā atkarīga no matricas (epoksijs, vinilēsters u.c.).
- Elektriskā vadāmība: CFRP var būt elektriski vadīts materiāls, kas jāņem vērā, projektējot elektroizolāciju un zemējumu.
- Noturība pret nogurumu un triecieniem: tikpat kā jebkuram kompozītam, CFRP pieļauj ļoti labu noguruma veiktspēju, bet triecienizturība (lokāla bojājuma tolerance) var būt zemāka nekā metāliem; iespējama delaminācija.
Ražošanas metodes
Biežākās apstrādes un ražošanas metodes ietver:
- Roku klāšanas (hand layup) — vienkāršākais veids nelielā jaudā; šķiedru auduma kārtas tiek piesūcinātas ar sveķiem un izžāvētas.
- Prepreg un autoklāvs — iepriekš piesūcinātas šķiedru loksnes, kuras pēc formēšanas cietina augstā temperatūrā autoklāvā; nodrošina augstu kvalitāti un reproducējamību (bieži avio un sacīkšu detaļās).
- Filament winding — šķiedru tīklu vērpšana ap formu (caurulēm, rezervuāriem); izmanto spiediena traukos un caurulēs.
- Resin transfer molding (RTM) un vacuum infusion — šķiedru preformu piesūcināšana ar sveķiem zem vakuuma, labi piemērots sarežģītu formu ražošanai serijās.
Pielietojumi
CFRP lieto plaši, pateicoties tā stiprumam pret svaru. Galvenās jomas:
- Aviācija un kosmosa tehnika: struktūras elementi, spārni, kārbas un interjera detaļas (svars un degvielas ekonomija ir kritiska).
- Automobiļu sacensību un augstas klases ielas auto: šasijas elementi, virsbūves paneļi un sporta aprīkojums.
- Jūras transportlīdzekļi un jahtas: korpusi, stūres sistēmas un buru konstrukcijas — lēts svars un augsta izturība pret sāļūdens vidi.
- Sporta inventārs: velosipēdu rāmi (velosipēdi), tenisa raketes, slidas, laivu airi u.c.
- Rūpnieciskās aplikācijas: vēja ģeneratoru lāpstiņas, ķīmiskie rezervuāri, medicīniskie implantāti un ierīces.
- Elektronika un patēriņa preces: vieglas, stilīgas konstrukcijas klēpjdatoros, fotokameru statīvos (statīvos) u.c.
Priekšrocības un trūkumi
- Priekšrocības: izcila izturība pret svaru, augsta stīvuma/pasasvara attiecība, korozijas noturība, dizaina brīvība (var orientēt šķiedras).
- Trūkumi: augstas izmaksas materiāliem un ražošanai, sarežģīta savienošanas/remontēšanas tehnoloģija, jutība pret lokāliem bojājumiem un delamināciju, reciklējami, bet atgūstot šķiedras to īpašības parasti samazinās.
Savienošana, pārbaude un remonts
Labākie savienojuma veidi ir līmēšana un speciāli projektēti mehāniskie stiprinājumi, ņemot vērā iespējamo ģalvanisko reakciju ar metālu. Pārbaudēs izmanto ultraskaņu, termogrāfiju, rentgena un tap test metodes, lai atklātu delamināciju un slēptos defektus. Remontos bieži izmanto vietējas plāksteru sistēmas ar tādu pašu vai līdzīgu šķiedru un matricu, kā oriģinālā konstrukcija.
Vide, drošība un reciklēšana
CFRP ražošana un apstrāde rada atkritumus un putekļus; šķiedru apstrāde var radīt elpceļu kairinājumu, tāpēc nepieciešami aizsargvārdi un ventilācija. CFRP nedegradējas viegli un pārstrāde ir izaicinājums — izmanto mehānisko drupināšanu, ķīmisku atdalīšanu vai pirolīzi, lai iegūtu atjaunotas šķiedras, taču atkārtoti iegūtās šķiedras parasti zaudē daļu sākotnējo mehānisko īpašību. Uguns gadījumā plastmasas matriksa sadegšanas produkti var būt toksiski, tāpēc ugunsdrošība un pareiza izmešu kontrole ir svarīga.
Kopumā oglekļa šķiedru pastiprināta plastmasa (CFRP) piedāvā unikālu īpašību kombināciju — lielu izturību un zemu svaru — kas padara to neaizstājamu daudzās augstas veiktspējas lietojumprogrammās, vienlaikus liedzot arī noteiktus ierobežojumus attiecībā uz izmaksām, remontu un ilgtspējību.
RC helikoptera aste, izgatavota no CFRP
Saistītās lapas
- Oglekļa šķiedra
- Grafīts
- Aramīds
- Stikla šķiedra
Jautājumi un atbildes
Q: Kas ir ar oglekļa šķiedru pastiprināta plastmasa (CFRP)?
A: Ar oglekļa šķiedru pastiprināta plastmasa (CFRP jeb CRP) ir ļoti izturīgs, viegls un dārgs kompozītmateriāls jeb ar šķiedru pastiprināta plastmasa. To veido tādas pastiprinošas šķiedras kā oglekļa šķiedra, epoksīdsveķu, poliestera, vinila estera vai neilona, kevlara, alumīnija un stikla šķiedras stiegrojums.
J: Kādi ir daži CFRP lietojumi?
A: CFRP ir daudz pielietojumu kosmiskās aviācijas un automobiļu rūpniecības jomā, kā arī buru laivās. To izmanto arī modernajos velosipēdos un motociklos, kur tā īpašības ir svarīgas. Turklāt tas arvien biežāk tiek izmantots mazo patēriņa preču ražošanā, piemēram, klēpjdatoros, statīvos, makšķerēšanas makšķerēs, peintbola aprīkojumā, rakešu sporta rāmjos, stīgu instrumentu korpusos, klasisko ģitāru stīgu un bungu čaulās.
J: No kādiem materiāliem parasti izgatavo CFRP?
A: Parasti kompozītmateriālam izmanto tā pastiprinošo šķiedru (oglekļa šķiedras) nosaukumu. Visbiežāk izmanto epoksīdsveķu plastmasu, bet var izmantot arī citas plastmasas, piemēram, poliesteri, vinilēsteri vai neilonu. Dažos kompozītmateriālos ir gan oglekļa šķiedras, gan citas šķiedras, piemēram, kevlara, alumīnija un stikla šķiedras stiegrojums. Retāk var izmantot arī ar grafītu pastiprinātu plastmasu vai ar grafīta šķiedrām pastiprinātu plastmasu (GFRP).
Vai CFRP ir dārgs?
A: Jā, CFRP ir dārgs kompozītmateriāls, jo tas ir izturīgs un viegls salīdzinājumā ar citiem materiāliem ar līdzīgām īpašībām.
J: Ar ko GFRP atšķiras no CFRP?
A: GFRP izmanto retāk nekā CFRP, bet tie joprojām ir izmantojami dažos lietojumos, jo to unikālās īpašības atšķiras no standarta ar oglekļa šķiedru stiegrota plastmasas kompozītmateriāla īpašībām. Kopumā GFRP nodrošina lielāku elastību nekā CFRP, vienlaikus saglabājot izturību ar mazāku svaru nekā tradicionālie materiāli, piemēram, tērauds vai alumīnijs, ko līdzīgiem lietojumiem varētu piedāvāt.
J: Vai ir patēriņa preces, kurās izmanto CFRP?
A: Jā, ir daudz patēriņa preču, kurās izmanto šāda veida kompozītmateriālus, tostarp klēpjdatorus, statīvus, makšķerēšanas makšķeres, peintbola aprīkojumu, rakešu sporta rāmjus, stīgu instrumentu korpusus, klasiskās ģitāras stīgas un bungu korpusus.
