Hoe sterk is koolstofvezelstof?

I. Basissamenstelling en sterktebasis van koolstofvezel
Koolstofvezel is een speciale vezel die bestaat uit koolstofelementen. Het is gemaakt van kunstmatige chemische vezels met een hoog koolstofgehalte en smelt niet tijdens warmtebehandeling, en wordt gemaakt door processen zoals hittestabiele oxidatiebehandeling, carbonisatiebehandeling en grafitisering. De basismicrostructuur geeft het uitstekende sterkte-eigenschappen.

Koolstofvezelweefsel wordt meestal geweven uit meerdere bundels koolstofvezels. Elk koolstofvezelmonofilament heeft een hoge sterkte-gewichtsverhouding. De diameter van een enkel koolstofvezelfilament is extreem klein, waardoor de koolstofatomen binnenin de spanning efficiënt kunnen overbrengen wanneer het aan spanning wordt blootgesteld, zodat het enorme spanning kan weerstaan ​​zonder te breken. Volgens relevant onderzoek kan de treksterkte van koolstofvezel 3000-7000MPa bereiken, wat veel hoger is dan die van veel traditionele bouwmaterialen en metalen materialen, zoals staal, waarvan de treksterkte gewoonlijk tussen 200-2000MPa ligt.

II. Factoren die de sterkte van koolstofvezelweefsel beïnvloeden

(I) Productieproces
1. Kwaliteit van de grondstoffen
- De grondstoffen die worden gebruikt om koolstofvezel te maken, hebben een belangrijke invloed op de sterkte van de uiteindelijke stof. Als de uitgangsstof voor chemische vezels niet zuiver genoeg is en meer onzuiverheden bevat, kunnen er defecten optreden in het daaropvolgende carbonisatie- en grafitiseringsproces. Onzuiverheden kunnen bijvoorbeeld de kristalstructuur in de koolstofvezel vernietigen, waardoor een ongelijkmatige spanningsoverdracht ontstaat, waardoor de algehele sterkte van de stof afneemt.
2. Weefmethode
- Verschillende weefmethoden zorgen ervoor dat koolstofvezelstoffen verschillende sterkte-eigenschappen vertonen. Platbinding, keperbinding en satijnbinding zijn gebruikelijke weefmethoden voor koolstofvezelweefsel. Platbinding heeft een strakke structuur, goede weefselstabiliteit en een relatief uniforme sterkteverdeling in alle richtingen; keperbinding is relatief zachter en kan een bepaalde schuifkracht weerstaan, maar de sterkte in sommige richtingen kan iets lager zijn dan gewoonbinding; satijnweefsel heeft een betere oppervlaktegladheid en is geschikt voor sommige toepassingen die uiterlijk en vloeistofdynamica vereisen, maar de sterkte ervan kan worden beïnvloed onder complexe spanningsomstandigheden.

(II) Omgevingsfactoren
1. Temperatuur
- In omgevingen met hoge temperaturen kan de sterkte van koolstofvezelstoffen veranderen. Over het algemeen kan de sterkte van koolstofvezel binnen een bepaald hoog temperatuurbereik relatief stabiel blijven. Wanneer de temperatuur echter zijn kritische waarde overschrijdt, kan de kristalstructuur in de koolstofvezel veranderen, waardoor de ordelijke rangschikking van de kristallen wordt verstoord, wat resulteert in een afname van de sterkte van de vezel. Integendeel, in een omgeving met lage temperaturen kan de sterkte van het koolstofvezelweefsel toenemen, maar het kan ook brozer worden en gemakkelijker breken bij een botsing.
2. Vochtigheid
- Vochtigheid heeft ook invloed op de sterkte van koolstofvezelweefsel. Als het koolstofvezelweefsel zich gedurende lange tijd in een omgeving met een hoge luchtvochtigheid bevindt, kunnen watermoleculen in de vezel of in de opening tussen de vezels binnendringen. Dit kan corrosie van de vezel veroorzaken of de hechtkracht tussen de vezels verzwakken, waardoor de sterkte van het weefsel afneemt.

III. Sterkte van koolstofvezelweefsel op verschillende gebieden

(I) Lucht- en ruimtevaartveld
1. Structurele onderdelen van vliegtuigen
- In de vliegtuigbouw worden koolstofvezelstoffen op grote schaal gebruikt om structurele onderdelen zoals vleugels en rompen te vervaardigen. Omdat het vliegtuig enorme aerodynamische belastingen, zijn eigen gewicht en verschillende complexe spanningen moet dragen die worden veroorzaakt door veranderingen in de vlieghouding tijdens de vlucht, komen de hoge sterkte-eigenschappen van koolstofvezelstoffen volledig tot uiting. De Boeing 787 maakt bijvoorbeeld gebruik van een grote hoeveelheid koolstofvezelcomposietmaterialen. Nadat het koolstofvezelweefsel in de vleugelstructuur heeft gebruikt, is het bestand tegen verschillende extreme belastingen tijdens de vlucht, terwijl het gewicht wordt verminderd, waardoor de veilige vlucht van het vliegtuig wordt gegarandeerd.
2. Satellietcomponenten
- Satellieten worden geconfronteerd met zware omstandigheden in de ruimte, zoals drastische temperatuurveranderingen en de inslag van micrometeorieten. Koolstofvezelweefsel wordt gebruikt om het structurele frame en enkele belangrijke componenten van satellieten te vervaardigen. De hoge sterkte is bestand tegen de schade van deze externe krachten. En vanwege de lage dichtheid van koolstofvezel helpt het het gewicht van satellieten te verminderen en de lanceringskosten te verlagen.

(II) Auto-industrie
1. Carrosserieframe
- In high-performance auto's en sommige nieuwe energievoertuigen wordt koolstofvezelstof gebruikt om carrosserieframes te vervaardigen. Vergeleken met traditionele stalen carrosserieën hebben carrosserieframes van koolstofvezel een hogere sterkte-gewichtsverhouding. Wanneer een auto botst, kan het carrosserieframe van koolstofvezel effectief energie absorberen en verspreiden om de veiligheid van passagiers in de auto te beschermen. Tegelijkertijd helpt het lagere lichaamsgewicht ook om de acceleratieprestaties, het rijgedrag en het brandstofverbruik van de auto te verbeteren.
2. Onderdelenproductie
- Koolstofvezelstof wordt ook gebruikt voor de vervaardiging van enkele belangrijke onderdelen van auto's, zoals aandrijfassen en motorkappen. De aandrijfas moet een enorm koppel overbrengen bij rotatie op hoge snelheid. De aandrijfas van koolstofvezelweefsel kan aan de sterkte-eisen voldoen, het gewicht verminderen en de rotatietraagheid verminderen. De motorkap is gemaakt van koolstofvezelweefsel, dat niet alleen sterk genoeg is, maar ook een rol kan spelen bij de warmte-isolatie, terwijl het gewicht van de voorkant van het voertuig wordt verminderd en de handlingbalans van het voertuig wordt verbeterd.

(III) Veld voor sportartikelen
1. Fietsframe
- Bij de productie van hoogwaardige fietsen is een frame van koolstofvezel de eerste keuze voor veel fietsliefhebbers. Het frame van koolstofvezelstof is bestand tegen verschillende belastingen tijdens het rijden, waaronder het gewicht van de berijder, de impact veroorzaakt door verkeersdrempels, enz. Bovendien kan het koolstofvezelframe worden ontworpen op basis van verschillende rijbehoeften, en de sterkte en stijfheid ervan. De verdeling kan worden aangepast voor de beste rijprestaties.
2. Golfclubs
- De schacht van de golfclub is gemaakt van koolstofvezelweefsel, waardoor de schacht lichter en flexibeler kan worden gemaakt en tegelijkertijd stevigheid wordt gegarandeerd. Wanneer de speler zwaait, moet de schacht enorme buig- en torsiekrachten kunnen weerstaan. De koolstofvezelclub kan de kracht van de speler effectief overbrengen op de bal, terwijl de stabiliteit van de schacht behouden blijft, waardoor de nauwkeurigheid en de afstand van het schot worden verbeterd.

Koolstofvezelstoffen hebben een zeer hoge sterkte en hun sterkte wordt door vele factoren beïnvloed. Op veel gebieden zijn de hoge sterkte-eigenschappen van koolstofvezelstoffen volledig benut, en met de voortdurende ontwikkeling van de productietechnologie worden de sterkte en prestaties van koolstofvezelstoffen nog steeds verbeterd, en er wordt verwacht dat dit op meer gebieden een belangrijke rol zal spelen. .