วัสดุผสมที่เสริมแรงด้วยเส้นใย มีอะไรบ้าง

คาร์บอนไฟเบอร์ reinforced พอลิเมอร์ คาร์บอนไฟเบอร์ reinforced พลาสติก หรือ คาร์บอนไฟเบอร์ reinforced เทอร์โม ( CFRP , CRP , CFRTP หรือ คาร์บอนไฟเบอร์ มักหรือแม้กระทั่ง คาร์บอน ) เป็นพลาสติกที่แข็งแรงมากและ light -reinforced ซึ่ง ประกอบด้วย เส้นใยคาร์บอน การสะกดคำว่า "ไฟเบอร์" เป็นเรื่องปกติในประเทศเครือจักรภพอังกฤษ

CFRPs อาจมีราคาแพงในการผลิต แต่มักมีการใช้กันทั่วไปเมื่อต้องใช้อัตราส่วนความแข็งแรงและ น้ำหนักที่สูง เช่นการบินการบินยานยนต์วิศวกรรมโยธากีฬาสินค้าและการใช้งานด้านเทคนิคและการบริโภคอื่น ๆ ที่เพิ่มขึ้น

พอลิเมอร์ รวมมักจะเป็นเรซินแบบเท อร์ โมเซ็ต เช่น อีพ็อกซี่ แต่บางครั้งก็ใช้ เท อร์ โมเซ็ต หรือ โพลิเมอร์เท อร์ โม พลาสติกเช่น โพลีเอสเตอร์ ไวนิลเอสเทอร์ หรือ ไนลอน คอมโพสิต อาจมีเส้นใยอื่น ๆ เช่น aramid (เช่น Kevlar , Twaron ) อลูมิเนียม โพลีเอทิลีนที่มีน้ำหนักโมเลกุล สูงพิเศษ (UHMWPE) หรือ เส้นใยแก้ว รวมทั้งเส้นใยคาร์บอน คุณสมบัติของผลิตภัณฑ์ CFRP สุดท้ายอาจได้รับผลกระทบจากชนิดของสารเติมแต่งที่นำมาใช้กับเมทริกซ์ที่มีผลผูกพัน (เรซิ่น) สารเติมแต่งที่ใช้บ่อยที่สุดคือซิลิกา แต่สามารถใช้สารเติมแต่งอื่น ๆ เช่นยาง นาโน และ นาโนคาร์บอน วัสดุนี้เรียกอีกอย่างหนึ่งว่า พอลิเมอร์ที่เสริมด้วย กราไฟท์ หรือ ไฟเบอร์เสริมกราไฟท์ ( GFRP มีจำนวนน้อยกว่าเนื่องจากปะปนกับโพลิเมอร์เสริมใยแก้ว) ในโฆษณาผลิตภัณฑ์บางครั้งเรียกว่า ไฟเบอร์กราไฟท์

คุณสมบัติ [ แก้ไข ]

CFRPs เป็น วัสดุคอมโพสิต ในกรณีนี้คอมโพสิตประกอบดวยสองสวนคือเมทริกซและการเสริมแรง ใน CFRP การเสริมแรงเป็นคาร์บอนไฟเบอร์ซึ่งให้ความแข็งแรง เมทริกซ์มักเป็นพอลิเมอเรซินเช่นอีพ็อกซี่เพื่อจับเสริมด้วยกัน [1] เนื่องจาก CFRP ประกอบไปด้วยสององค์ประกอบที่แตกต่างกันคุณสมบัติของวัสดุขึ้นอยู่กับองค์ประกอบทั้งสอง

การเสริมแรงจะทำให้ CFRP มีความแข็งแรงและแข็งแกร่ง วัดโดย ความเค้น และ โมดูลัสยืดหยุ่นตาม ลำดับ ซึ่งแตกต่างจาก วัสดุ isotropic เช่นเหล็กและอลูมิเนียม CFRP มีคุณสมบัติทางความแรงทิศทาง สมบัติของ CFRP ขึ้นอยู่กับรูปแบบของเส้นใยคาร์บอนและสัดส่วนของเส้นใยคาร์บอนที่สัมพันธ์กับพอลิเมอร์ [2] สมการทั้งสองแบบที่ใช้ควบคุมโมดูลัสยืดหยุ่นสุทธิของวัสดุคอมโพสิตที่ใช้คุณสมบัติของเส้นใยคาร์บอนและพอลิเมอร์เมทริกซ์สามารถนำมาประยุกต์ใช้กับพลาสติกเสริมแรงคาร์บอนไฟเบอร์ [3] สมการต่อไปนี้,

สามารถใช้งานได้กับวัสดุคอมโพสิตที่มีเส้นใยในทิศทางของน้ำหนักที่ใช้ คือโมดูลัสคอมโพสิตรวม และ คือปริมาณเศษส่วนของเมทริกซ์และเส้นใยตามลำดับในคอมโพสิตและ และ เป็นโมดูลัสความยืดหยุ่นของเมทริกซ์และเส้นใยตามลำดับ [3] กรณีอื่น ๆ ของโมดูลัสยืดหยุ่นของคอมโพสิตที่มีเส้นใยเชิงขวางไปโหลดใช้สามารถพบได้โดยใช้สมการต่อไปนี้: [3]

ความทนทานต่อการแตกหักของพลาสติกเสริมแรงด้วยเส้นใยคาร์บอนจะขึ้นอยู่กับกลไกดังต่อไปนี้ 1) การขัดสีระหว่างเส้นใยคาร์บอนกับพอลิเมอร์เมทริกซ์ 2) การดึงเส้นใยออกและ 3) การปั่นแยกระหว่างแผ่น CFRP [4] CFRPs ที่ใช้อีพ็อกซี่ทั่วไปแสดงให้เห็นว่าแท่งไม่มีความเป็นพลาสติกมีความเครียดน้อยกว่า 0.5% แม้ว่า CFRPs กับอีพ็อกซี่มีความแข็งแรงสูงและยืดหยุ่นโมดูลัสกลไกการแตกหักแบบเปราะอาจเป็นความท้าทายที่ไม่เหมือนใครสำหรับวิศวกรในการตรวจจับความล้มเหลวเนื่องจากความล้มเหลวเกิดขึ้นอย่างรุนแรง [4] เช่นนี้ความพยายามล่าสุดที่จะแกร่ง CFRPs รวมถึงการปรับเปลี่ยนวัสดุอีพ็อกซี่ที่มีอยู่และการหาเมทริกซ์เมตริกซ์ทางเลือก หนึ่งในวัสดุดังกล่าวที่มีคำมั่นสัญญาสูงคือ PEEK ซึ่งแสดงให้เห็นถึงลำดับความแข็งที่มากขึ้นด้วยค่าโมดูลัสยืดหยุ่นและความต้านทานแรงดึงที่ใกล้เคียงกัน [4] อย่างไรก็ตาม PEEK ยากมากที่จะประมวลผลและมีราคาแพงกว่า [4]

แม้จะมีอัตราส่วนความแข็งแรงต่อน้ำหนักที่เริ่มต้นสูง แต่ข้อ จำกัด ในการออกแบบของ CFRP คือการขาด ขีดจำกัดความทนทานที่ย่ำแย่ ซึ่งหมายความว่าในทางทฤษฎีความล้มเหลวของวงจรความเครียดไม่สามารถตัดออกได้ ในขณะที่เหล็กกล้าและโลหะโครงสร้างหลายชนิดและโลหะผสมอื่น ๆ มีขีดจำกัดความอดทนเมื่อยล้าโหมดความล้มเหลวคอมโพสิตที่ซับซ้อนทำให้ความสามารถในการลดความล้าของ CFRP เป็นเรื่องยากที่จะคาดเดาและออกแบบได้ ดังนั้นเมื่อใช้ CFRP สำหรับการประยุกต์ใช้ในการโหลดไซเคิลที่สำคัญวิศวกรอาจจำเป็นต้องออกแบบให้มีความแข็งแรงด้านความปลอดภัยสูงมากเพื่อให้มีความน่าเชื่อถือของส่วนประกอบที่เหมาะสมตลอดอายุการใช้งาน

ผลกระทบด้านสิ่งแวดล้อมเช่นอุณหภูมิและความชื้นอาจส่งผลต่อวัสดุผสมที่ทำด้วยโพลีเมอร์รวมทั้ง CFRPs มากที่สุด ในขณะที่ CFRPs แสดงให้เห็นถึงความต้านทานต่อการกัดกร่อนที่ยอดเยี่ยมผลกระทบของความชื้นในช่วงอุณหภูมิที่กว้างสามารถทำให้เกิดการเสื่อมสมบัติของสมบัติเชิงกลของ CFRPs ได้โดยเฉพาะที่ส่วนติดต่อของเมทริกซ์ไฟเบอร์ [5] ในขณะที่เส้นใยคาร์บอนเองไม่ได้รับผลกระทบจากความชื้นที่แพร่กระจายเข้าไปในวัสดุความชื้น plasticizes เมทริกซ์โพลิเมอร์ [4] เมทริกซ์อีพ็อกซี่ที่ใช้สำหรับใบพัดเครื่องยนต์ได้รับการออกแบบมาเพื่อป้องกันไม่ให้น้ำมันเชื้อเพลิงหล่อลื่นและน้ำฝนรวมทั้งใช้สีภายนอกในชิ้นส่วนคอมโพสิตเพื่อลดความเสียหายจากแสงอัลตราไวโอเลต [4] [6]

เส้นใยคาร์บอนสามารถทำให้เกิดการ กัดกร่อนของกาแลคซี เมื่อ ส่วนประกอบ CRP ถูกยึดกับอลูมิเนียม [7]

การผลิต

เส้นใยคาร์บอนเสริมแรง

องค์ประกอบหลักของ CFRP คือ เส้นใยคาร์บอน นี้ผลิตจากสารตั้งต้นของ สารตัวเติม เช่น polyacrylonitrile (PAN), ไหม สังเคราะห์หรือ สนาม ปิโตรเลียม สำหรับโพลิเมอร์สังเคราะห์เช่น PAN หรือไหมสังเคราะห์สารตั้งต้นจะ ปั่น เป็นเส้นด้ายเส้นใยแรกโดยใช้กระบวนการทางเคมีและทางกลเพื่อจัดตำแหน่งโซ่พอลิเมอร์ในขั้นแรกเพื่อเพิ่มสมบัติทางกายภาพขั้นสุดท้ายของเส้นใยคาร์บอนที่สมบูรณ์ องค์ประกอบขององค์ประกอบเบื้องต้นและกระบวนการทางกลที่ใช้ระหว่างเส้นด้ายเส้นใยปั่นอาจแตกต่างกันไปในหมู่ผู้ผลิต หลังจากการวาดหรือการปั่นด้ายเส้นใยโพลีเมอร์จะถูกให้ความร้อนเพื่อขับออกอะตอมที่ไม่ใช่คาร์บอน ( carbonization ) ซึ่งเป็นเส้นใยคาร์บอนสุดท้าย เส้นใยคาร์บอนเส้นด้ายอาจจะได้รับการรักษาต่อไปเพื่อปรับปรุงคุณภาพการจัดการแล้วแผลที่จะ bobbins [8] จากเส้นใยเหล่านี้เป็นแผ่นเดียวสร้างขึ้น แผ่นเหล่านี้มีชั้นวางบนกันและกันในรูปแบบ isotropic กึ่งเช่น 0 °, + 60 °หรือ -60 °เทียบกับแต่ละอื่น ๆ

จากเส้นใยประดิษฐ์สามารถสร้างแผ่นทอแบบสองทิศทางเช่นผ้าทอ ลายทแยง ด้วยสาน 2/2 ขั้นตอนการทำ CFRPs ส่วนใหญ่จะแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับชิ้นงานที่สร้างขึ้นจำเป็นต้องใช้ผิวด้านนอก (ความเงางามด้านนอก) และจะผลิตชิ้นส่วนนี้จำนวนเท่าใด นอกจากนี้การเลือกเมทริกซ์สามารถมีผลกระทบอย่างมากต่อสมบัติของคอมโพสิตสำเร็จรูป

ชิ้นส่วน CFRP หลายชิ้นถูกสร้างขึ้นด้วยชั้นคาร์บอนเพียงเส้นเดียวที่ได้รับการสนับสนุนด้วยไฟเบอร์กลาส เครื่องมือที่เรียกว่าปืนสับ (Chopper Gun) ถูกนำมาใช้เพื่อสร้างชิ้นส่วนประกอบชิ้นส่วนเหล่านี้ได้อย่างรวดเร็ว เมื่อเปลือกบาง ๆ ถูกสร้างขึ้นจากคาร์บอนไฟเบอร์ปืนตัดจะตัดม้วนแผ่นใยแก้วเป็นระยะเวลาสั้น ๆ และฉีดพ่นเรซินในเวลาเดียวกันเพื่อให้เส้นใยแก้วและเรซินผสมอยู่ในจุด เรซินเป็นส่วนผสมภายนอกที่แข็งตัวและเรซินจะฉีดแยกหรือผสมภายในซึ่งต้องทำความสะอาดหลังจากใช้ทุกครั้ง วิธีการผลิตอาจรวมถึงสิ่งต่อไปนี้:

Molding [ แก้ไข ]

วิธีหนึ่งในการผลิตชิ้นส่วน CFRP คือการจัดเรียงแผ่นผ้าคาร์บอนไฟเบอร์เป็น แบบพิมพ์ ในรูปของผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย การจัดตำแหน่งและการทอเส้นใยผ้าถูกเลือกเพื่อเพิ่มความแข็งแรงและความแข็งแรงให้กับวัสดุที่เป็นผล แม่พิมพ์จะเต็มไปด้วย อีพ็อกซี่ และจะถูกให้ความร้อนหรืออากาศแห้ง ชิ้นส่วนที่ได้รับมีความแข็งแรงทนทานต่อการกัดกร่อนแข็งและแข็งแรง ชิ้นส่วนที่ใช้ในพื้นที่ที่ไม่ค่อยมีความสำคัญเกิดจากการห่อผ้าบนแม่พิมพ์ด้วยอีพ็อกซี่ที่ preimpregnated ลงในเส้นใย (หรือเรียกว่า pre-preg ) หรือ "ทาสี" เหนือมัน ชิ้นส่วนที่มีประสิทธิภาพสูงโดยใช้แม่พิมพ์เดียวมักถูกดูดด้วยถุงสูญญากาศและ / หรือถูก แช่ แข็งเนื่องจากแม้แต่ฟองอากาศขนาดเล็กในวัสดุจะช่วยลดความแข็งแรง ทางเลือกหนึ่งสำหรับวิธีการอบแบบนึ่งความดันคือการใช้แรงดันภายในผ่านถุงลมเป่าลมหรือ โฟม EPS ภายในเส้นใยคาร์บอนที่ไม่ได้บ่ม

ถุงสูญญากาศ [ แก้ไข ]

สำหรับชิ้นส่วนที่ต้องการสำเนาเพียงไม่กี่ชิ้น (1-2 ต่อวัน) สามารถใช้ ถุงสูญญากาศ ได้ ไฟเบอร์กลาส, คาร์บอนไฟเบอร์หรืออลูมิเนียมมีการขัดและแว็กซ์และมีตัวยึดเกาะอยู่ก่อนที่จะมีการใช้ผ้าและเรซินและดึงสูญญากาศและวางไว้เพื่อให้ชิ้นส่วนสามารถรักษาได้ (แข็ง) มีสามวิธีในการใช้เรซินกับผ้าในแม่พิมพ์สูญญากาศ

วิธีแรกคือใช้เองและเรียกว่า layup เปียกที่เรซินสองส่วนผสมและใช้ก่อนที่จะวางในแม่พิมพ์และวางไว้ในถุง อีกชิ้นหนึ่งทำโดยการแช่ที่ผ้าแห้งและแม่พิมพ์จะอยู่ในถุงในขณะที่สูญญากาศดึงเรซินผ่านท่อขนาดเล็กลงในถุงแล้วผ่านท่อที่มีรูหรือสิ่งที่คล้ายกับการแพร่กระจายเรซินทั่วทั้งผ้า . สายลูปทำงานอย่างสมบูรณ์แบบสำหรับหลอดที่ต้องมีรูภายในถุง ทั้งสองวิธีการใช้เรซินต้องใช้มือเพื่อกระจายเรซินอย่างเท่าเทียมกันสำหรับผิวมันวาวที่มีขนาดเล็กมากหลุมหลุม

วิธีที่สามในการสร้างวัสดุคอมโพสิตเป็นที่รู้จักกันในชื่อ "layup แห้ง" ที่นี่วัสดุคาร์บอนไฟเบอร์มีการชุบด้วยเรซิ่น (pre-preg) และนำมาประยุกต์ใช้กับแม่พิมพ์ในลักษณะคล้ายกับฟิล์มกาว การชุมนุมจะถูกวางไว้ในสูญญากาศเพื่อรักษา วิธีการอบแห้งแบบแห้งมีปริมาณเรซินน้อยที่สุดและสามารถสร้างโครงสร้างที่เบากว่าการวางแบบเปียก นอกจากนี้เนื่องจากปริมาณที่มากขึ้นของเรซินเป็นเรื่องยากที่จะตกออกด้วยวิธี layup เปียก pre-preg ส่วนโดยทั่วไปมีรูเล็ก ๆ น้อยลง การกำจัดรูพรุนด้วยปริมาณเรซินที่น้อยที่สุดโดยทั่วไปต้องใช้ แรง ดันนึ่งฆ่าเชื้อเพื่อขจัดก๊าซเหลือทิ้งออกไป

การบีบอัดภาพ [ แก้ไข ]

วิธีการที่รวดเร็วใช้ แม่พิมพ์อัด นี่คือแบบสองชิ้น (ชายและหญิง) มักทำจากอลูมิเนียมหรือเหล็กที่ถูกกดพร้อมกับผ้าและเรซินระหว่างสอง ประโยชน์คือความเร็วของกระบวนการทั้งหมด ผู้ผลิตรถยนต์บางรายเช่น BMW อ้างว่าสามารถหมุนเวียนชิ้นส่วนใหม่ได้ทุกๆ 80 วินาที อย่างไรก็ตามเทคนิคนี้มีต้นทุนเริ่มต้นที่สูงมากเนื่องจากแม่พิมพ์ต้องใช้เครื่องจักรซีเอ็นซีที่มีความแม่นยำสูงมาก

ขดลวดเคลือบ [ แก้ไข ]

สำหรับรูปทรงที่ยากหรือซับซ้อนสามารถใช้เครื่อง ม้วนเส้นใย เพื่อทำชิ้นส่วน CFRP โดยการม้วนเส้นใยรอบแกนหรือแกน

แอพพลิเคชัน

แอพพลิเคชันสำหรับ CFRP ประกอบด้วย:

วิศวกรรมอวกาศและอวกาศ

A Finnair Airbus A350 ใช้วัสดุคอมโพสิต 52%

แอร์บัส A350 XWB สร้างขึ้นจาก 52% CFRP [9] รวมทั้งส เกิร์ตปีกเครื่องบินและชิ้นส่วนเครื่องบินลำตัวเหนือกว่า Boeing 787 Dreamliner สำหรับ เครื่องบินที่มีอัตราส่วน น้ำหนักสูงสุดสำหรับ CFRP ซึ่งถือได้ถึง 50% [10] นี่เป็นครั้งแรกที่เครื่องบินพาณิชย์มีปีกที่ทำมาจากคอมโพสิต แอร์บัส A380 เป็นหนึ่งในสายการบินพาณิชย์รายแรกที่มีกล่องปีกกลางทำจาก CFRP; มันเป็นครั้งแรกที่มีส่วนโค้งปีกอย่างราบรื่นแทนที่จะเป็นปีกที่แบ่งออกเป็นช่วง ๆ - ฉลาด การไหลเวียนแบบต่อเนื่องนี้ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของอากาศพลศาสตร์ [11] นอกจากนี้ขอบท้ายพร้อมกับกั้นข้างหลังลำตัวและลำตัวที่ไม่มีแรงดันจะทำจาก CFRP [12] อย่างไรก็ตามความล่าช้าจำนวนมากได้ผลักดันให้วันส่งมอบสินค้ากลับมาเนื่องจากปัญหาเกี่ยวกับการผลิตชิ้นส่วนเหล่านี้ เครื่องบินหลายลำที่ใช้ CFRP เกิดความล่าช้ากับวันที่จัดส่งเนื่องจากกระบวนการใหม่ที่ใช้ในการทำชิ้นส่วน CFRP ในขณะที่โครงสร้างโลหะได้รับการศึกษาและใช้ใน airframes มานานหลายปีแล้วและกระบวนการเหล่านี้มีความเข้าใจกันดี ปัญหาที่เกิดขึ้นเป็นประจำคือการตรวจสอบอายุของโครงสร้างซึ่งวิธีการใหม่ ๆ ได้รับการตรวจสอบอย่างต่อเนื่องเนื่องจากลักษณะที่ผิดปกติของวัสดุหลายชนิดและมีลักษณะผิดปกติของ CFRP [13]

ในปีพ. ศ. 2511 Hyfil คาร์บอนไฟเบอร์ประกอบพัดลมในการให้บริการ Rolls-Royce Conways ของ Vickers VC10s ดำเนินการโดย BOAC [14]

นักออกแบบและผู้ผลิตเครื่องบินผู้เชี่ยวชาญและผู้ผลิต Scaled Composites ได้ใช้ CFRP อย่างกว้างขวางตลอดช่วงการออกแบบรวมทั้งยานอวกาศยานอวกาศที่บรรจุกระสุนปืนเอกชนแห่งแรกขึ้นมา CFRP ใช้กันอย่างแพร่หลายใน ยานยนต์ขนาดเล็ก (MAVs) เนื่องจากมีความแข็งแรงสูงต่อน้ำหนัก

SpaceX กำลังใช้คาร์บอนไฟเบอร์สำหรับโครงสร้างหลักทั้งหมดของ รถเปิดตัวซูเปอร์เฮฟ วี่ร์รุ่นใหม่ซึ่ง เป็นรถเปิดตัว ของ ITS รวมถึง ยาน อวกาศ ขนาดใหญ่สอง ลำ ที่จะมีการเปิดตัวโดย เรือรบ Interplanetary Spaceship และ เรือบรรทุกน้ำมัน ITS นี่เป็นความท้าทายอย่างยิ่งสำหรับโครงสร้างถัง ออกซิเจนเหลว ขนาดใหญ่เนื่องจากความท้าทายด้านการออกแบบของคาร์บอน / ออกซิเจนที่มีความหนาแน่นสูงเป็นเวลานาน [15] [16]

อากาศยานแบบ Ultralight (ดู SSDR ) เช่น E-Go พึ่งพา CFRP เพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดเรื่องน้ำหนักที่น้อยกว่า 115 กก. (254 ปอนด์) โดยไม่มีนักบินหรือเชื้อเพลิง [ อ้างจำเป็น ]

วิศวกรรมยานยนต์ [ แก้ไข ]

CFRPs ใช้กันอย่างแพร่หลายในการแข่งขันรถยนต์ระดับไฮเอนด์ [17] ค่าใช้จ่ายสูงของคาร์บอนไฟเบอร์จะลดลงด้วยอัตราส่วนความแข็งแรงต่อน้ำหนักของวัสดุที่ไม่มีใครเทียบและน้ำหนักต่ำเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการแข่งรถสมรรถนะสูง ผู้ผลิตรถแข่งมีการพัฒนาวิธีการที่จะให้ความแข็งแรงของชิ้นส่วนคาร์บอนไฟเบอร์ในทิศทางที่แน่นอนทำให้แข็งแรงในทิศทางที่แบกภาระ แต่อ่อนแอในทิศทางที่โหลดน้อยหรือไม่มีเลยจะวางอยู่บนสมาชิก ในทางตรงกันข้ามผู้ผลิตได้พัฒนารูปแบบคาร์บอนไฟเบอร์แบบหลายทิศทางที่ใช้แรงในทุกทิศทาง การชุมนุมของคาร์บอนไฟเบอร์ชนิดนี้ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการประกอบรถยนต์ monocoque chassis แบบ "safety cell" ซึ่ง เป็นการแข่ง รถที่มีประสิทธิภาพสูง

Supercars จำนวนมากในช่วงสองสามทศวรรษที่ผ่านมาได้รวม CFRP ไว้อย่างกว้างขวางในการผลิตโดยใช้มันสำหรับแชสซี monocoque และส่วนประกอบอื่น ๆ [18] ไกลกลับเป็น 1971, Citroën SM เสนอล้อน้ำหนักเบาคาร์บอนไฟเบอร์ [19] [20]

จนกระทั่งเมื่อไม่นานมานี้วัสดุที่ใช้ในรถยนต์ที่ผลิตในปริมาณ จำกัด เนื่องจากค่าใช้จ่ายที่เกี่ยวข้องกับวัสดุอุปกรณ์และสระว่ายน้ำที่ จำกัด ของบุคคลที่มีความชำนาญในการทำงาน เมื่อเร็ว ๆ นี้ผู้ผลิตรถยนต์รายใหญ่หลายรายเริ่มใช้ CFRP ในรถยนต์ถนนทุกวัน

การใช้วัสดุนี้ได้รับการนำมาใช้โดยผู้ผลิตที่มีปริมาณน้อยซึ่งใช้เป็นหลักในการสร้างแผงตกแต่งสำหรับรถยนต์ระดับไฮเอนด์เนื่องจากความแรงที่เพิ่มขึ้นและน้ำหนักลดลงเมื่อเทียบกับโพลิเมอร์ที่เสริมด้วย แก้วที่ ใช้สำหรับ ส่วนใหญ่ของผลิตภัณฑ์ของตน

การใช้คาร์บอนไฟเบอร์ในรถยนต์สามารถลดน้ำหนักได้อย่างเห็นได้ชัดและด้วยเหตุนี้ขนาดของเฟรม นอกจากนี้ยังจะช่วยเพิ่มความคิดสร้างสรรค์ของนักออกแบบและวิศวกรและช่วยให้มีพื้นที่ในห้องโดยสารมากขึ้นสำหรับผู้โดยสาร การเลือกใช้คาร์บอนไฟเบอร์สามารถลดปริมาณน้ำและไฟฟ้าที่ใช้ในการผลิต [21]

วิศวกรรมโยธา [ แก้ไข ]

CFRP กลายเป็นวัสดุที่มี ชื่อเสียง ในงาน ด้านวิศวกรรม โครงสร้าง การศึกษาในบริบททางวิชาการเกี่ยวกับผลประโยชน์ที่อาจเกิดขึ้นในการก่อสร้างก็มีการพิสูจน์ด้วยตัวเองว่าคุ้มค่าในการใช้งานในภาคสนามจำนวนหนึ่งที่ช่วยเสริมสร้างความแข็งแรงของคอนกรีตการก่ออิฐเหล็กเหล็กหล่อและโครงสร้างไม้ การใช้งานในอุตสาหกรรมสามารถเป็นได้ทั้งสำหรับการติดตั้งเพิ่มเติมเพื่อเสริมสร้างโครงสร้างที่มีอยู่หรือเป็นวัสดุทดแทน (หรือวัสดุอัดก่อน) แทนเหล็กจากจุดเริ่มต้นของโครงการ

การติดตั้งเพิ่มเติม ได้กลายเป็นวัสดุที่ใช้งานมากขึ้นในงานวิศวกรรมโยธาและการใช้งานรวมถึงการเพิ่มกำลังการผลิตของโครงสร้างเก่า (เช่น สะพาน ) ที่ออกแบบมาเพื่อรองรับการให้บริการที่ต่ำกว่าที่พวกเขาประสบอยู่ในปัจจุบันการเดินท่อแบบไหวสะเทือนและการซ่อมแซม โครงสร้างที่เสียหาย การติดตั้งเพิ่มเติมเป็นที่นิยมในหลาย ๆ กรณีเนื่องจากค่าใช้จ่ายในการเปลี่ยนโครงสร้างที่มีข้อบกพร่องสามารถช่วยเพิ่มความแข็งแรงได้มากขึ้นโดยใช้ CFRP [22]

นำไปประยุกต์ใช้กับโครงสร้างคอนกรีตเสริมเหล็กสำหรับการยุบตัว CFRP มักจะมีผลกระทบอย่างมากต่อความแข็งแรง (เพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าหรือมากกว่าความแข็งแรงของส่วนนี้ไม่ใช่เรื่องแปลก) แต่มีเพียงความแข็งปานกลาง (อาจเพิ่มขึ้น 10%) เนื่องจากวัสดุที่ใช้ในแอ็พพลิเคชันนี้มักแข็งแรงมาก (เช่น แรงดึง สูงสุดที่ 3000 MPa เหล็กกล้าอ่อนกว่า 10 เท่า) แต่ไม่แข็ง (150 ถึง 250 GPa ซึ่งน้อยกว่าเหล็กเป็นแบบทั่วไป) เป็นผลให้มีเพียงพื้นที่หน้าตัดขนาดเล็กของวัสดุที่ใช้ พื้นที่ขนาดเล็กที่มีความแข็งแรงสูง แต่มีความแข็งปานกลางจะช่วยเพิ่มความแข็งแรง แต่ไม่แข็งกระด้าง

นอกจากนี้ยังสามารถใช้ CFRP เพื่อเพิ่มแรงเฉือนของคอนกรีตเสริมเหล็กได้โดยการห่อหุ้มผ้าหรือเส้นใยรอบ ๆ ส่วนที่จะเสริมสร้างความเข้มแข็ง การห่อหุ้มส่วนต่างๆ (เช่นสะพานหรือเสาอาคาร) ยังสามารถเพิ่มความยืดตัวของส่วนได้อย่างมากซึ่งจะช่วยเพิ่มความต้านทานต่อการยุบตัวภายใต้แรงแผ่นดินไหว การติดตั้งคลื่นไหวสะเทือนแบบนี้คือการประยุกต์ใช้ที่สำคัญในพื้นที่ที่เกิดแผ่นดินไหวเนื่องจากมีความสำคัญทางเศรษฐกิจมากกว่าวิธีการอื่น

ถ้าคอลัมน์เป็นวงกลม (หรือเกือบจะ) เพิ่มความสามารถในแนวแกนก็ทำได้โดยการห่อ ในโปรแกรมนี้การกักขังของ CFRP wrap ช่วยเพิ่มกำลังอัดของคอนกรีต อย่างไรก็ตามแม้ว่าจะมีการเพิ่มขึ้นอย่างมากในการยุบตัวที่ดีที่สุดคอนกรีตจะแตกที่โหลดเพียงเล็กน้อยที่เพิ่มขึ้นซึ่งหมายความว่าโปรแกรมนี้เป็นเพียงบางครั้งใช้

โมดูลพิเศษ CFRP สูงพิเศษ (มีโมดูลัสแรงดึงที่ 420 GPa หรือมากกว่า) เป็นหนึ่งในไม่กี่วิธีที่ใช้ในการเสริมสร้างคานเหล็กหล่อ ในการใช้งานทั่วไปจะเชื่อมต่อกับหน้าแปลนแรงดึงของส่วนทั้งการเพิ่มความแข็งของส่วนและการลด แกนกลาง เพื่อลดความเค้นแรงดึงสูงสุดในเหล็กหล่อ

เมื่อใช้เป็นเหล็กทดแทนสามารถใช้แถบ CFRP เพื่อเสริมโครงสร้างคอนกรีต อย่างไรก็ตามแอปพลิเคชันนี้ไม่ธรรมดา

CFRP สามารถใช้เป็นวัสดุที่เน้นความเครียดได้เนื่องจากมีความแข็งแรงสูง ข้อดีของ CFRP เหนือเหล็กเป็นวัสดุที่เน้นความเครียดก่อน ได้แก่ น้ำหนักเบาและความต้านทานการกัดกร่อนควรช่วยให้วัสดุสามารถนำไปใช้งานเฉพาะเช่นในสภาพแวดล้อมนอกชายฝั่ง อย่างไรก็ตามปัญหาที่เกิดขึ้นจริงในการทอดสมอเส้นใยคาร์บอนไฟเบอร์และการประยุกต์ใช้งานนี้เป็นเรื่องที่หาได้ยาก

ในสหรัฐอเมริกาท่อกระบอกสูบคอนกรีต (PCCP) เป็นแหล่งจ่ายน้ำส่วนใหญ่ เนื่องจากขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางขนาดใหญ่ความล้มเหลวของ PCCP จึงเป็นความหายนะอย่างรุนแรงและมีผลต่อประชากรจำนวนมาก มีการติดตั้ง PCCP ประมาณ 19,000 ไมล์ (31,000 กม.) ระหว่างปีพ. ศ. 2483 ถึง 2549 การกัดกร่อนในรูปของการแตกตัวของไฮโดรเจนได้รับการตำหนิสำหรับการเสื่อมสภาพของสายไฟก่อนการบีบอัดในสาย PCCP จำนวนมาก ในช่วงสิบปีที่ผ่านมา CFRPs ได้ถูกนำมาใช้เพื่อให้เป็นระบบ PCCP ภายในซึ่งเป็นผลให้เกิดระบบการเสริมสร้างความแข็งแกร่งของโครงสร้างอย่างเต็มที่ ภายในเส้น PCCP แผ่นปิด CFRP ทำหน้าที่เป็นกั้นที่ควบคุมระดับความเค้นที่เกิดจากกระบอกสูบเหล็กในท่อโฮสต์ ซับคอมโพสิตช่วยให้กระบอกสูบเหล็กทำงานได้ดีภายในช่วงความยืดหยุ่นเพื่อให้แน่ใจว่าประสิทธิภาพของท่อในระยะยาวจะยังคงอยู่ การออกแบบ CFRP liner จะขึ้นอยู่กับความเข้ากันได้ของความเครียดระหว่างซับและท่อโฮสต์ [23]

CFRP เป็นวัสดุที่มีราคาแพงกว่าคู่แข่งในอุตสาหกรรมก่อสร้างพอลิเมอร์เสริมแรงด้วยใยแก้ว (GFRP) และพอลิเมอร์เสริมแรงจากเส้นใยอะรามิด (AFRP) แม้ว่า CFRP โดยทั่วไปถือว่ามีคุณสมบัติที่เหนือกว่า

ยังคงมีการวิจัยอย่างต่อเนื่องเกี่ยวกับการใช้ CFRP ทั้งในด้านการเดินเท้าและเป็นทางเลือกให้กับเหล็กเป็นวัสดุเสริมแรงหรือวัสดุก่อนการบีบอัด ต้นทุนยังคงเป็นปัญหาและคำถามความทนทานในระยะยาวยังคงมีอยู่ บางคนมีความกังวลเกี่ยวกับลักษณะเปราะของ CFRP ในทางตรงกันข้ามกับความเหนียวของเหล็ก แม้ว่าสถาบันการออกแบบต่างๆเช่น American Concrete Institute ยังคงมีรหัสการออกแบบอยู่บ้าง แต่ก็ยังมีข้อกังขาบางอย่างในหมู่ชุมชนวิศวกรรมเกี่ยวกับการใช้วัสดุทดแทนเหล่านี้ ส่วนหนึ่งเกิดจากการขาดมาตรฐานและลักษณะเฉพาะของเส้นใยและเรซินที่มีอยู่ในตลาด

ไมโครไฟเบอร์ใยคาร์บอน [ แก้ไข ]

เส้นใยคาร์บอนใช้ในการผลิตไมโครไฟเบอร์คาร์บอนไฟเบอร์ ในแอพพลิเคชันนี้เส้นใยคาร์บอนเดียวที่มีเส้นผ่าศูนย์กลาง 5-7 ไมครอนจะถูกปิดผนึกไว้ใน capillary แก้ว ปลายเส้นเลือดฝอยจะปิดผนึกด้วยอีพ็อกซี่และขัดเพื่อให้เป็นแผ่นคาร์บอนไฟเบอร์หรือเส้นใยไฟเบอร์ถูกตัดเป็นความยาว 75-150 ไมครอนเพื่อทำหัวต่อกระบอกสูบคาร์บอนไฟเบอร์ ขั้วไฟฟ้า คาร์บอนไฟเบอร์ใช้ในการ วัดค่าแอมเพอโรเมตริก หรือ โวลต์มิเตอร์วัดวัฏภาค เร็วเพื่อตรวจ หาสัญญาณชีวเคมี

สินค้ากีฬา

CFRP ใช้กันอย่างแพร่หลายในอุปกรณ์กีฬาเช่นสควอชเทนนิสและแบดมินตันแร็กเก็ต กีฬา สปริงกระเทียนลูกศรที่มีคุณภาพสูงไม้ฮอกกี้แท่งตกปลา กระดานโต้คลื่น และ พายเรือ แคนู นักกีฬา Amputee เช่น Oscar Pistorius ใช้ใบมีดคาร์บอนไฟเบอร์ในการวิ่ง ใช้เป็นแผ่น ยางใน รองเท้าผ้าใบ กีฬาบาสเกตบอล บาง รุ่น เพื่อให้เท้ามั่นคงโดยปกติแล้วจะวิ่งตามความยาวของรองเท้าเหนือพื้นผิวด้านซ้ายและด้านซ้ายเท่านั้นในบางพื้นที่โดยปกติจะเป็นซุ้มประตู

ในปี 2006 คริกเก็ตค้างคาวมีชั้นคาร์บอนไฟเบอร์อยู่ด้านหลังถูกนำมาใช้และนำมาใช้ในการแข่งขันโดยผู้เล่นที่มีรายละเอียดสูงเช่น Ricky Ponting และ Michael Hussey คาร์บอนไฟเบอร์อ้างเพียงเพื่อเพิ่มความทนทานของค้างคาว แต่ถูกห้ามจากการแข่งขันชั้นหนึ่งทั้งหมดโดย ICC ในปี 2550 [25]

เฟรมจักรยาน CFRP มีน้ำหนักน้อยกว่า เหล็ก อลูมิเนียม หรือ ไททาเนียม ที่มีความแข็งแรงเท่ากัน ประเภทและทิศทางของเส้นใยคาร์บอนไฟเบอร์สามารถออกแบบเพื่อเพิ่มความแข็งในทิศทางที่ต้องการ สามารถปรับเฟรมเพื่อระบุรูปแบบการขี่ที่แตกต่างกันได้: การวิ่งต้องใช้เฟรมที่เข้มงวดในขณะที่ความทนทานอาจต้องใช้เฟรมที่ยืดหยุ่นสำหรับผู้ขับขี่ในช่วงเวลาที่ยาวขึ้น [26] ความหลากหลายของรูปทรงที่สามารถสร้างขึ้นได้เพิ่มความแข็งและ เพิ่ม ส่วนของท่อ อากาศพลศาสตร์ ส้อม CFRP รวมถึงมงกุฎส้อมส้อมและส เตอร์ดิ้ง handlebars , seatposts และ crank arm กำลังเป็นที่นิยมมากขึ้นในจักรยานขนาดกลางและเป็นราคาสูง ขอบล้อของ CFRP ยังคงมีราคาแพง แต่เสถียรภาพเมื่อเปรียบเทียบกับอลูมิเนียมจะช่วยลดความจำเป็นในการทำล้อและล้อที่ลดลงช่วยลด ช่วงเวลาที่แรงเฉื่อย ของล้อ ซี่โครง CFRP เป็นของที่หายากและส่วนใหญ่ก็ถือว่าเป็นแบบสเตนเลสสตีล CFRP ยังปรากฏขึ้นในส่วนประกอบอื่น ๆ เช่นชิ้นส่วนเบรคมือและเบรคและคันโยกตัวถังและตัวถังสายพานลำเลียงตัวยึดเฟืองโซ่ข้อต่อระงับจานเบรคแผ่นดิสก์เหยียบเท้ารองเท้าและรางอาน ถึงแม้ว่าการติดตั้งคอมโพเนนต์ CFRP ที่แข็งแรงและเบาส่งผลกระทบการติดตั้งเกินขนาดหรือการติดตั้งที่ไม่เหมาะสมส่งผลให้เกิดการแตกและความล้มเหลวซึ่งอาจเป็นไปได้ยากหรือไม่สามารถซ่อมแซมได้ [27] [28]

โปรแกรมอื่น ๆ [ แก้ไข ]

ความต้านทานการทนไฟของพอลิเมอร์และคอมโพสิตเทอร์โมเซ็ตจะดีขึ้นอย่างมากหากมีการสร้างเส้นใยคาร์บอนบาง ๆ อยู่ใกล้ผิวเนื่องจากเส้นใยคาร์บอนหนาแน่นและมีขนาดกะทัดรัดสะท้อนความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพ [29]

CFRP ยังหาโปรแกรมประยุกต์ในจำนวนที่เพิ่มขึ้นของผลิตภัณฑ์ระดับไฮเอนด์ที่ต้องการความแข็งและน้ำหนักต่ำซึ่ง ได้แก่ :

• กีตาร์ Picks เช่นทำโดย PickHeaven [30]

• กรณีแล็ปท็อปโดยเพิ่มจำนวนผู้ผลิต

• ส่วนประกอบเสียงเช่นสแครชและลำโพง

• เครื่องดนตรีรวมทั้งไวโอลินโบว์ลิ่งกีตาร์ตัวเลือกกลองกลองหีบเพลงปี่และเครื่องดนตรีทั้งหมดเช่น ลูอิสและคลาร์ก ของคาร์บอนไฟเบอร์ cellos ไวโอลินและไวโอลิน; และ กีตาร์ อะคูสติก Blackbird และ กีต้าร์ อะคูสติ เลีย

• ระบบว่าวใช้แท่งคาร์บอนไฟเบอร์เสริมแรงเพื่อให้ได้รูปทรงและการแสดงที่ไม่สามารถทำได้ก่อนหน้านี้

• อาวุธปืนใช้มันเพื่อแทนที่ชิ้นส่วนโลหะไม้และไฟเบอร์กลาส แต่ชิ้นส่วนภายในจำนวนมากยังคง จำกัด อยู่ที่โลหะผสมเนื่องจากพลาสติกเสริมแรงในปัจจุบันไม่เหมาะสม

• ส่วนประกอบของเครื่องบินและวิทยุควบคุมประสิทธิภาพสูงเช่นใบพัดเฮลิคอปเตอร์โรเตอร์

• ขาตั้งกล้องเสาเต็นท์แท่งตกปลาบิลเลียดชีพจรไม้เท้า

• สินค้าอุปโภคบริโภคที่มีน้ำหนักเบาและทนทานอื่น ๆ อีกมากมายเช่นด้ามมีดคุณภาพสูง

• ไฮเอนด์ครีบใต้น้ำฮอกกี้ว่ายน้ำทำจากคาร์บอนไฟเบอร์

• เสาสำหรับการเข้าถึงสูงเช่นเสาที่ใช้โดยทำความสะอาดหน้าต่างและเสาเลี้ยงน้ำ

• ในทางทันตกรรมโพสต์คาร์บอนไฟเบอร์ใช้ในการฟื้นฟูฟันคลองรากฟัน

• ล่องเรือรถไฟโดยสารที่มีการ ขน สัมภาระสำหรับบริการผู้โดยสาร ซึ่งจะช่วยลดน้ำหนักได้ถึง 50% เมื่อเทียบกับเรือขนสัมภาระโลหะซึ่งช่วยประหยัดพลังงาน

แผ่นคาร์บอนไฟเบอร์ คาร์บอนไฟเบอร์กลมหลอด ; ผลิตภัณฑ์เส้นใยคาร์บอน

วัสดุเสริมแรง มีอะไรบ้าง

วัสดุคอมโพสิต มีอะไรบ้าง

วัสดุผสมแบ่งเป็นกี่ประเภท

วัสดุเชิงประกอบ มีอะไรบ้าง