Per què els tubs de fibra de carboni són tan lleugers?
Els tubs de fibra de carboni s'utilitzen àmpliament en estructures aeroespacials, marcs d'UAV, braços robòtics, canyes de pescar, suports per a càmeres, equips mèdics, maquinària d'automatització, equips esportius i altres aplicacions on el pes estructural és important. La seva popularitat prové d'una combinació de baixa densitat, alta rigidesa, alta resistència a la tracció, resistència a la corrosió i la capacitat d'adaptar l'orientació de la fibra a la direcció de les càrregues aplicades.
Però, per què els tubs de fibra de carboni són tan lleugers? La resposta no és simplement que la fibra de carboni sigui "més lleugera que el metall". El comportament lleuger d'un tub de fibra de carboni resulta de la interacció entre la densitat del material, la geometria tubular, l'orientació de la fibra, la fracció de volum de la fibra, el contingut de resina i la tecnologia de fabricació.
Una fibra de carboni d'alta -resistència representativa, com ara Toray T700S, té una densitat de fibra d'1,80 g/cm³, una resistència a la tracció de 4.900 MPa, un mòdul de tracció de 230 GPa i un diàmetre de filament d'aproximadament 7 μm. Toray també informa de propietats normalitzades del compost T700S/epoxi amb un volum de fibra del 60%, incloent una resistència a la tracció de 2,860 MPa i un mòdul de tracció de 134 GPa.
Aquests números ajuden a explicar per què els tubs de fibra de carboni poden aconseguir una alta eficiència estructural sense requerir la massa associada als metalls tradicionals.
Tanmateix, hi ha una distinció important: la fibra de carboni és un reforç, mentre que un tub de fibra de carboni normalment és una estructura composta. El tub acabat conté fibres de carboni, resina de polímer i, de vegades, materials de superfície o nucli addicionals. En conseqüència, la seva densitat final i el seu rendiment mecànic depenen del disseny de fabricació complet.
Les seccions següents examinen la ciència darrere dels tubs de fibra de carboni lleugers, expliquen la terminologia d'enginyeria rellevant, comparen tubs de fibra de carboni amb metalls convencionals i discuteixen problemes i solucions pràctiques de fabricació.
Quina és la densitat dels tubs de fibra de carboni?
La densitat és el punt de partida per entendre els materials lleugers. En enginyeria, la densitat es defineix com la massa per unitat de volum: ρ=m / V on ρ és la densitat, m és la massa i V és el volum. Un material amb menor densitat conté menys massa en el mateix volum. La fibra de carboni és particularment atractiva perquè les fibres comercials solen tenir densitats al voltant d'1,75-1,90 g/cm³, depenent del grau i l'estructura. El T700S de Toray proporciona una referència industrial útil. La seva densitat de fibra publicada és d'1,80 g/cm³, mentre que la seva resistència a la tracció és de 4.900 MPa i el mòdul de tracció és de 230 GPa. Les dades de fibra de carboni-PAN publicades per Hexcel també demostren que les fibres de carboni-d'alt rendiment generalment es mantenen a prop d'aquest rang de densitat. Per exemple, les seves dades tècniques inclouen AS4 al voltant d'1,79 g/cm³, IM7 al voltant d'1,80 g/cm³ i HM63 al voltant d'1,76 g/cm³.
Per comparar, els materials estructurals comuns tenen densitats considerablement diferents.
| Material | Densitat aproximada | Pes relatiu |
| Fibra de carboni | 1,75–1,90 g/cm³ | Molt baix |
| Tub de CFRP | Normalment depèn de la relació fibra/resina | Baixa |
| Aliatge d'alumini | ~2,7 g/cm³ | Moderat |
| Aliatge de titani | ~4,5 g/cm³ | Alt |
| Acer | ~7,8 g/cm³ | Molt alt |
Per a un tub de fibra de carboni acabat, els enginyers no haurien de copiar simplement la densitat de la fibra d'un full de dades de fibra de carboni. El tub també conté resina.
Per tant, la densitat final del tub depèn de:
- Grau de fibra de carboni
- Densitat de resina
- Fracció de volum de fibra
- Contingut buit
- Orientació de la fibra
- Gruix de paret del tub
- Procés de fabricació
- Recobriments superficials
- Insercions o materials addicionals
Aquesta distinció és especialment important quan es comparen tubs de fibra de carboni de baixa densitat amb tubs d'alumini o acer. La comparació correcta s'ha de fer entre components acabats amb requisits estructurals equivalents-no només entre fibres en brut i metall.
Per què la forma tubular fa que els tubs de fibra de carboni siguin encara més eficients en pes-?
La segona raó per la qual els tubs de fibra de carboni són lleugers és la seva geometria. Un tub no ha de contenir material sòlid en tota la seva-secció transversal. En canvi, gran part del seu material estructural es col·loca al voltant del perímetre exterior, creant un segon moment d'àrea alt, també anomenat moment d'inèrcia d'àrea. Aquesta és una propietat geomètrica que descriu amb quina eficàcia una-secció transversal distribueix el material en relació amb un eix de flexió. Per a la flexió, moure el material més lluny de l'eix neutre pot augmentar significativament la rigidesa de flexió sense augmentar la massa proporcionalment.
Això explica per què els tubs s'utilitzen àmpliament en estructures com ara:
- Braços UAV
- Marcs de bicicleta
- Enllaços robòtics
- Booms de càmera
- Pals telescòpics
- Canyes de pescar
- Elements estructurals aeroespacials
- Eixos motrius Rodets industrials
Com l'orientació de la fibra fa que els tubs de fibra de carboni siguin forts sense fer-los pesats?
La tercera raó principal és l'orientació de la fibra. La fibra de carboni és altament anisòtropa. Això significa que les seves propietats mecàniques varien segons la direcció. El T700S de Toray il·lustra la diferència entre el nivell de fibra-i el comportament compost transversal. La fibra té una resistència a la tracció de 4.900 MPa i un mòdul de 230 GPa, mentre que el compost epoxi de 60%-fibra-volum normalitzat té una resistència a la tracció de 0 graus de 2,860 MPa i un mòdul de tracció de 134 GPa. El motiu d'aquest rendiment direccional és l'orientació de les fibres de carboni. Un tub sotmès principalment a tensió axial es beneficia de fibres orientades prop de 0 graus, paral·leles a l'eix del tub. Un tub exposat a la torsió requereix un reforç significatiu de ± 45 graus, perquè aquestes fibres suporten eficientment esforços de cisalla. Un recipient a pressió pot requerir un reforç-orientat al cèrcol, perquè la tensió circumferencial esdevé important.
Per tant, un tub de fibra de carboni pràctic pot utilitzar diverses orientacions:
- 0 graus: rigidesa axial i resistència a la tracció
- ±45 graus: rendiment de torsió i cisalla
- 90 graus: estabilitat transversal i reforç de cèrcol
- Layups híbrids: equilibrar múltiples casos de càrrega
Aquesta és una diferència important amb els metalls isòtrops convencionals. Un tub d'acer generalment té propietats relativament similars en diferents direccions. Es pot dissenyar un tub de fibra de carboni de manera que el reforç es concentri on es produeixen realment les càrregues.
Com es compara la relació de força-a-pesos dels tubs de fibra de carboni amb l'alumini i l'acer?
La relació entre la força{0}}a-pes és un dels conceptes més importants de l'enginyeria estructural lleugera. El terme tècnic és força específica, que s'expressa habitualment com a resistència a la tracció dividida per la densitat. Un paràmetre similar, la rigidesa específica, compara el mòdul de Young amb la densitat. Utilitzant la fibra T700S de Toray com a exemple: Resistència a la tracció=4,900 MPa Densitat=1.80 g/cm³ Mòdul de tracció=230 GPa Aquestes propietats creen una força específica de nivell-de fibra molt alta i una rigidesa específica. Però els enginyers haurien de tenir cura a l'hora de fer comparacions directes. Un tub de fibra de carboni és un compost laminat, mentre que un tub d'alumini o d'acer és generalment una estructura metàl·lica isòtropa. El rendiment final depèn del gruix de la paret, el diàmetre, el procés de fabricació, les juntes, el pandeig local, la resistència a l'impacte i la direcció de càrrega.
| Característic | Tub de fibra de carboni | Tub d'alumini | Tub d'acer |
| Densitat | Baixa | Moderat | Alt |
| Força específica | Molt alt | De moderat a alt |
Moderat |
| Rigidesa específica | Molt alt | Moderat | Moderat |
| Propietats direccionals | Fortament direccional | Relativament isòtrop | Relativament isòtrop |
| Resistència a la corrosió | Generalment excel·lent | Bo però depenent de l'aliatge | Requereix protecció |
| Orientació de la fibra | Es pot optimitzar | No aplicable | No aplicable |
| Complexitat de fabricació | Més alt | Moderat | Moderat |
| Unir-se | Requereix especialitzat | Relativament madur | Relativament madur |
| Cost | Generalment més alt | Moderat | Abaix |
La investigació del DOE identifica els compostos de fibra de carboni com un dels materials lleugers avançats capaços de reduir la massa substancialment. El seu programa de materials de transport estima que els compostos de fibra de carboni podrien reduir el pes d'alguns components aproximadament entre un 50 i un 70%, alhora que assenyala el cost, la unió, el modelatge i el reciclatge com a barreres importants. El DOE també afirma que una reducció del 10% del pes del vehicle pot donar lloc a una millora aproximadament del 6-8% en l'economia de combustible, tot i que els resultats reals del nivell del sistema-depenen del disseny del vehicle i de les condicions de funcionament.
Això demostra per què els tubs lleugers de fibra de carboni són valuosos més enllà del propi tub. La reducció de la massa d'un braç robòtic en moviment, una pluma d'UAV, un eix motriu o una estructura aeroespacial pot reduir les càrregues imposades a altres components.
Per exemple, un enllaç robòtic més lleuger pot reduir els requisits de l'actuador. Un boom d'UAV més lleuger pot reduir la massa estructural que s'ha d'aixecar contínuament. Un eix giratori més lleuger pot reduir la inèrcia de rotació. Per tant, el veritable benefici dels tubs de fibra de carboni és sovint la reducció de la massa a nivell del sistema-, en lloc de fer que un component sigui més lleuger.
Per què els tubs de fibra de carboni poden ser lleugers sense perdre rigidesa?
La lleugeresa sovint crea una preocupació: si un tub es fa més prim, es tornarà massa flexible? La resposta depèn de si el disseny està controlat per la força o la rigidesa. La força es refereix a si el component pot suportar la càrrega aplicada sense fallar. La rigidesa es refereix a quant es deforma el component sota aquesta càrrega.
Per a molts tubs de fibra de carboni, la rigidesa més que la resistència a la tracció final determina el gruix de la paret requerit.
Això és especialment important per a:
- Braços robòtics
- Booms d'UAV
- Tubs de suport de la càmera
- Components de la màquina de precisió
- Estructures telescòpiques
- Suports d'antena
- Equips òptics
- Equips d'automatització
Un component pot tenir prou resistència a la tracció però encara es desvia excessivament. Per exemple, en un braç robòtic, una deflexió excessiva pot reduir la precisió de posicionament fins i tot si el tub no s'acosta a la seva càrrega de fallada. Per tant, l'alt mòdul de la fibra de carboni pot ser extremadament valuós. Toray informa d'un mòdul de fibra T700S de 230 GPa i un mòdul de tracció compost normalitzat de 134 GPa amb un volum de fibra del 60%. Anotació tècnica - Mòdul de Young: el mòdul de Young mesura la rigidesa elàstica. Un mòdul superior generalment significa menys deformació elàstica sota una tensió determinada dins del rang elàstic del material. Tanmateix, la rigidesa del tub no està determinada només pel mòdul.
També depèn de:
- Diàmetre del tub
- Gruix de paret
- Geometria de-secció transversal
- Orientació de la fibra
- Condicions de suport
- Longitud del tub
- Direcció de càrrega
En conseqüència, augmentar el diàmetre exterior de vegades pot millorar la rigidesa a la flexió de manera més eficient que simplement afegir gruix de paret. Aquesta és una de les raons per les quals els tubs de fibra de carboni de gran-diàmetre i-paret fina són cada cop més atractius per a aplicacions estructurals lleugeres. El dissenyador pot aprofitar tant l'alta rigidesa específica del material com l'eficiència geomètrica de la secció transversal-tubular.
Com es fabriquen els tubs lleugers de fibra de carboni?
El procés de fabricació afecta fortament el pes final i les propietats mecàniques dels tubs de fibra de carboni. S'utilitzen àmpliament diverses tecnologies de fabricació.
1. Pultrusió La pultrusió tira contínuament les fibres de carboni a través d'un sistema de resina i una matriu de formació escalfada.
És especialment indicat per a:
- Vares rectes
- Tubs
- Perfils
- Bigues estructurals
- Producció contínua
La pultrusió pot produir seccions transversals-altament consistents i un fort reforç longitudinal.
2. Enrotllament de filament L'enrotllament de filament col·loca fibres contínues impregnades de resina-al voltant d'un mandril en angles controlats.
És especialment indicat per a:
- Tubs
- Recipients a pressió
- Eixos de conducció
- Estructures cilíndriques
L'angle de bobinatge es pot optimitzar segons la càrrega axial, de cèrcol i de torsió.
3. Embolcall del rotllo L'embolcall del rotllo utilitza teixit preimpregnat o fibra de carboni embolicat al voltant d'un mandril.
S'utilitza habitualment per a:
- Tubs de fibra de carboni
- Tubs telescòpics
- Equipament esportiu
- Pals de càmera
- Tubs estructurals industrials
Conclusió
Els tubs de fibra de carboni són lleugers perquè la fibra de carboni té una baixa densitat alhora que ofereix una resistència i rigidesa excel·lents. La seva estructura buida redueix encara més el material innecessari sense sacrificar el rendiment estructural. Mitjançant l'optimització de l'orientació de la fibra i el disseny del tub, els fabricants poden aconseguir una relació de resistència-a-elevada. Aquests avantatges fan que els tubs de fibra de carboni siguin ideals per a drons, robòtica, aeroespacial, equipament esportiu, maquinària d'automatització i altres aplicacions estructurals lleugeres.
Contacta amb nosaltres
Esteu buscant tubs de fibra de carboni lleugers i-d'alta resistència per al vostre projecte? Oferim mides, formes, tractaments superficials i orientacions de fibres personalitzades per satisfer les diferents necessitats d'aplicació. Contacteu-nos avui per correu electrònic: sales18@julitech.cn o WhatsApp +86 18822947075 per obtenir solucions de materials professionals, preus competitius i assistència tècnica ràpida. Explica'ns les teves necessitats-l'ajudarem a donar vida als teus dissenys.
Referències
Fitxa de dades de fibra de carboni de Toray Composite Materials America - TORAYCA™ T700S
Departament d'Energia dels EUA - Materials lleugers per a cotxes i camions
Proporciona dades tècniques comparatives per a T700S, T700G, T800H i altres graus de fibra de carboni.
