Süsinikkiududega tugevdatud plast (CFRP): omadused, kasutus ja näited
Süsinikkiuga tugevdatud plast (CFRP või CRP) on kõrge tugevuse ja jäikusega ning madala tihedusega komposiitmaterjal ehk kiududega tugevdatud plast. Sarnaselt klaasiga tugevdatud plastiga nimetatakse seda tavaliselt selle tugevdavate kiudude ( süsinikkiud) järgi. Matriksiks kasutatakse kõige sagedamini suletud ja kõvastuvat termopolümeeri, plastiks epoksü, kuid mõnikord kasutatakse ka muid plaste, nagu polüester, vinüülester või nailon. Mõned komposiidid ühendavad süsinikkiudu teiste kiududega, näiteks kevlar, alumiinium või klaaskiud . Harvemini kohtab ka nimetust grafiidiga tugevdatud plast või grafiitkiududega tugevdatud plast (GFRP).
Peamised omadused
Süsinikkiudude ja polümeermatriksi kombinatsioon annab CFRP-ile mitmeid iseloomulikke omadusi:
- Väga kõrge tugevus‑ja jäikus kaalu kohta — suurepärane tugevus/tiheduse suhe;
- Anisotroopia — omadused sõltuvad kiudude paigutusest ja orientatsioonist (saab optimeerida suunatunnetatud koormuste jaoks);
- Hea korrosioonikindlus ja oksüdatsioonikindlus võrreldes metallidega;
- Väiketakistus (sõltuvalt kiudude tüübi ja paigutuse tõttu) — materjal võib olla elektrit juhtiv;
- Madala soojuspaisumise koefitsienti tõttu stabiilne mõõtmete suhtes temperatuurimuutuste juures;
- Hea väsimus- ja löögikindlus konkreetsete konstruktsioonide korral, kuid vigastused (delamineerumine, kiudude murd) võivad olla keerukad tuvastada ja parandada.
Tootmis- ja töötlemismeetodid
CFRP-komponente valmistatakse mitmel viisil sõltuvalt rakendusest ja vajadusest:
- Hand lay-up ja vacuum bagging — lihtsamad meetodid väiksemate detailide ja prototüüpide jaoks;
- Autoclave cure (autoklaav) — kõrgeima kvaliteediga detaile (näiteks lennunduses) saamiseks, tagab vähe-poore ja hea side;
- Resin Transfer Molding (RTM) ja infusion — sobivad sarjalisemate ning keerukamate kujude puhul;
- Pultrusion ja filament winding — pikapikkuste profiilide ja silindriliste komponente tootmiseks;
- Kuumtöötlemine, CNC-lõikamine, liimimine ja mehaanilised ühendused — kasutatavad detailide lõppviimistluseks ja kokkupanekuks.
Kasutusvaldkonnad ja näited
CFRP leiab laialdast kasutust kohtades, kus on oluline suur tugevus ja madal kaal. Tihedamini kasutatakse seda:
- lennundus- ja kosmosetööstuses (struktuurielemendid, kabiinid, tiibade osad);
- autotööstuses, samuti tipptasemel spordiautodes ja võidusõiduautodes (monokokid, kerepaneelid);
- purjelaevadel, jahitööstuses ja välistingimustes kasutatavate aluste komponentides;
- kaasaegsetes jalgratastes ja mootorratastes, kus madal mass ja jäikus parandavad käitumist ja jõudlust .
- igapäevatarvikutes ja spordivarustuses: üha levinumad on sülearvutite korpused, statiivid, õngeridavad, paintballivarustus, reketispordiraamid;
- muusikariistades — näiteks keelpillide korpused, klassikalise kitarri keeled ja trummid .
- energeetikas — tuuleturbiinide labade osad, kus suured pikkused ja madal kaal on olulised;
- meditsiinis — proteesid, ortopeedilised tugid ja implantaatide tugielemendid;
- satelliit- ja kosmosekonstruktsioonid — kõrge jõudlus/kaal suhtarv on kriitiline.
Eelised ja piirangud
Eelised:
- Suur tugevus‑ja jäikus suhtega väikese massi juures;
- Korrosioonikindlus ja hea keemiline vastupidavus;
- Võimalus optimeerida kiudude paigutust koormuse järgi;
- Vähem põhilisi liikuvaid osi, mis võib vähendada hooldusvajadust konstruktsioonides.
Puudused ja väljakutsed:
- Kõrge tootmiskulu ja töömahukus võrreldes tavaliste metallidega;
- Piiratud taaskasutus‑ ja ringlussevõtt — materjali taastamine on keeruline ja kulukas;
- Koormusallikate lokaliseerimine (löögid, kriimustused) võib põhjustada sisemist delamineerumist, mida on raske visuaalselt tuvastada;
- Soojuse ja tulekindluse piirangud — termilised kahjustused ja polümeermatriksi lagunemine kõrgel temperatuuril;
- Elektrijuhtivus võib nõuda isolatsiooni või maandamist konkreetsetes kasutusvaldkondades.
Hooldus, testimine ja parandamine
CFRP-struktuuri hooldus nõuab spetsiaalseid teadmisi: defektide tuvastamiseks kasutatakse sageli ultraheli-, röntgen- või termograafiatehnikaid. Väiksemaid kahjustusi saab parandada liimimise ja uute kihtide paigaldamisega, ent kriitiliste struktuuride paranduses (näiteks lennukitel) kasutatakse tavaliselt asendust või spetsialiste. Disainietapis teostatakse tugevduskudedega simulatsioone ja lõputeste (väsimuse, löögi, keskkonnamuutuste vastupidavus) tagamaks ohutus ja eluiga.
Lõppsõna
Süsinikkiududega tugevdatud plast on kõrgtehnoloogiline materjal, mis annab võimaluse ehitada kergemaid ja tugevamaid konstruktsioone paljudes tööstusharudes. Kuigi tootmiskulud ja ringlussevõtu küsimused on väljakutseiks, jätkub CFRP areng ja laiem rakendamine tänu pidevale materjali- ja tootmistehnoloogiate parendamisele.
RC-kopteri CFRP-ist valmistatud saba
Küsimused ja vastused
K: Mis on süsinikkiududega tugevdatud plast (CFRP)?
V: Süsinikkiududega tugevdatud plast (CFRP või CRP) on väga tugev, kerge ja kallis komposiitmaterjal ehk kiududega tugevdatud plast. See koosneb tugevdavatest kiududest, nagu süsinikkiud, epoksiid, polüester, vinüülester või nailon, kevlar, alumiinium ja klaaskiud.
K: Millised on mõned CFK rakendused?
V: CFRP-l on palju rakendusi lennundus- ja autotööstuses, samuti purjelaevadel. Seda kasutatakse ka kaasaegsetes jalgratastes ja mootorratastes, kus selle omadused on olulised. Lisaks sellele on see üha enam levinud väikeste tarbekaupade puhul, nagu sülearvutid, statiivid, õngeridvad, paintballivarustus, reketispordiraamid, keelpillide korpused, klassikalise kitarri keeled ja trummikoored.
K: Milliseid materjale kasutatakse tavaliselt CFRP valmistamiseks?
V: Tavaliselt kasutatakse komposiitmaterjali jaoks selle tugevdavate kiudude (süsinikkiud) nime. Kõige sagedamini kasutatav plast on epoksü, kuid võib kasutada ka muid plastmasse, nagu polüester, vinüülester või nailon. Mõned komposiitmaterjalid sisaldavad nii süsinikkiudu kui ka muid kiudusid, nagu kevlar, alumiinium ja klaaskiud. Harvemini võib kasutada ka grafiidiga tugevdatud plasti või grafiitkiududega tugevdatud plasti (GFRP).
K: Kas CFRP on kallis?
V: Jah, CFRP on kallis komposiitmaterjal, kuna see on teiste sarnaste omadustega materjalidega võrreldes väga tugev ja kerge.
K: Mille poolest erineb GFRP CFRP-st?
V: GFRP-d kasutatakse harvemini kui CFRP-d, kuid neid kasutatakse siiski teatavates rakendustes nende ainulaadsete omaduste tõttu, mis erinevad tavalise süsinikkiuga tugevdatud plastist komposiitmaterjali omadustest. Üldiselt on GFRP-d paindlikumad kui CFRP-d, kuid samas pakuvad nad väiksema kaaluga tugevust kui traditsioonilised materjalid, nagu teras või alumiinium, mis pakuvad samasuguseid rakendusi.
K: Kas on olemas tarbekaupu, milles kasutatakse CFRP-d?
V: Jah, on palju tarbekaupu, mis kasutavad seda tüüpi komposiitmaterjali, sealhulgas sülearvutid, statiivid, õngeridvad, paintballivarustus, reketid, spordiraamid, keelpillide korpused, klassikalise kitarri keeled ja trummikoored.
