Dệt sợi carbon: Chúng là gì và tại sao nên sử dụng chúng

Nếu bạn đã từng thắc mắc tại sao một miếng sợi carbon có thể trông khác với một miếng khác, thì bạn không đơn độc. Sợi carbon có nhiều kiểu dệt khác nhau, mỗi kiểu phục vụ một mục đích khác nhau và không chỉ để trang trí.

Sợi carbon được làm từ các tiền chất như polyacrylonitrile (PAN) và tơ nhân tạo. Sợi tiền thân được xử lý hóa học, nung nóng và kéo dài, sau đó cacbon hóa để tạo ra sợi có độ bền cao. Sau đó, các sợi hoặc sợi này được bó lại với nhau để tạo thành các sợi, được xác định bằng số lượng sợi carbon mà chúng chứa. Các lớp kéo phổ biến là 3k, 6k, 12k và 15k. "k" có nghĩa là một nghìn, vì vậy, dây kéo 3k được làm từ 3,000 sợi carbon. Dây kéo 3k tiêu chuẩn thường rộng 0.125", vì vậy, kéo rất nhiều sợi vào một không gian nhỏ. Dây kéo 6k có 6,000 sợi carbon, dây kéo 12k có 12,{{16 }} sợi carbon, v.v... Rất nhiều sợi có độ bền cao được bó lại với nhau đã làm cho sợi carbon trở thành vật liệu bền như vậy.

sợi carbon dệt
Sợi carbon thường ở dạng vải dệt thoi, giúp dễ gia công hơn và tùy thuộc vào ứng dụng, có thể cung cấp thêm độ bền cho cấu trúc. Do đó, vải sợi carbon có nhiều kiểu dệt khác nhau. Loại phổ biến nhất là sa tanh trơn, vải chéo và ruy băng, và chúng ta sẽ xem xét từng loại chi tiết hơn.

dệt trơn
Các tấm sợi carbon dệt trơn xuất hiện đối xứng, với hình dạng bàn cờ nhỏ. Trong kiểu dệt này, các sợi tow được dệt theo kiểu trên/dưới. Khoảng cách ngắn giữa các kiểu dệt giúp cho kiểu dệt trơn có độ ổn định cao. Độ ổn định của vải là khả năng vải duy trì góc dệt và hướng sợi. Do mức độ ổn định cao này, kiểu dệt trơn ít phù hợp hơn với các bố cục có đường viền phức tạp, nó sẽ không linh hoạt như một số kiểu dệt khác. Nói chung, dệt trơn thích hợp cho các tấm phẳng, ống và đường cong hai chiều.

Một nhược điểm của kiểu dệt này là nếp nhăn thô (góc của các sợi tạo ra khi dệt, xem bên dưới) trong sợi kéo do khoảng cách ngắn giữa các sợi dệt. Các nếp gấp thô tạo ra sự tập trung ứng suất có thể làm yếu bộ phận theo thời gian.

dệt chéo
Twill hoạt động như một cầu nối giữa kiểu dệt trơn và kiểu dệt sa tanh mà chúng ta sẽ thảo luận tiếp theo. Twill đủ linh hoạt để tạo thành các đường viền phức tạp và duy trì độ ổn định của vải tốt hơn so với kiểu dệt sa tanh yên ngựa, nhưng không tốt bằng kiểu dệt trơn. Nếu bạn đi theo một sợi dây kéo, nó sẽ đi qua một số sợi dây nhất định và sau đó đi qua cùng một số sợi dây. Mẫu trên/dưới tạo ra hình dạng đầu mũi tên chéo được gọi là "đường chéo". Khoảng cách giữa các sợi dệt xen kẽ dài hơn có nghĩa là ít uốn nếp hơn và ít tập trung ứng suất tiềm năng hơn so với dệt trơn.

Twill 2 × 2

Twill 4 × 4
2×2 Twill có lẽ là loại vải sợi carbon nổi tiếng nhất trong ngành. Nó được sử dụng trong nhiều ứng dụng mỹ phẩm và trang trí nhưng cũng có chức năng cao, nó có cả khả năng tạo hình vừa phải và độ ổn định vừa phải. Như tên của 2×2 ngụ ý, mỗi lần kéo sẽ đi qua 2 lần kéo và sau đó qua 2 lần kéo. Tương tự như vậy, một sợi chéo 4 × 4 sẽ trải qua 4 lần kéo và sau đó là 4 lần kéo. Nó dễ định hình hơn một chút so với vải chéo 2×2 vì dệt không chặt bằng, nhưng nó cũng kém ổn định hơn.

Khai thác dệt Satin
Kiểu dệt sa tanh đã được phát minh ra từ hàng ngàn năm trước để tạo ra các loại vải lụa có độ rủ tuyệt vời đồng thời trông mịn màng và liền mạch. Đối với vật liệu tổng hợp, khả năng xếp nếp này có nghĩa là nó có thể tạo và bọc các đường viền phức tạp một cách dễ dàng. Do khả năng định dạng cao của loại vải này nên nó được cho là có độ ổn định thấp. Các kiểu dệt phổ biến là 4 sợi (4HS), 5 sợi (5HS) và 8 sợi (8HS). Khi số lượng hàng dệt sa tanh tăng lên, khả năng tạo hình tăng lên trong khi độ ổn định của vải giảm đi.

4HS

5HS

8HS

Con số trong tên Harness Satin cho biết tổng số lần kéo đã qua. Đối với 4HS sẽ là hơn 3 kéo và sau đó dưới 1 kéo. Đối với 5HS sẽ là trên 4 kéo sau đó dưới 1 kéo và đối với 8HS sẽ là trên 7 kéo sau đó dưới 1 kéo.

Trải dài so với Kéo tiêu chuẩn
Vật liệu kéo trải rộng có thể là một sự thỏa hiệp tốt giữa việc sử dụng vật liệu một chiều và vật liệu dệt tiêu chuẩn. Khi các sợi kéo được dệt lên xuống để tạo thành vải, độ bền sẽ giảm do các nếp gấp trong các sợi kéo. Khi bạn tăng số lượng sợi trong một dây kéo tiêu chuẩn, chẳng hạn như từ 3k lên 6k, thì dây kéo trở nên lớn hơn (dày hơn) và góc uốn trở nên sắc nét hơn. Một cách để tránh điều này là trải các sợi thành các sợi kéo rộng hơn, được gọi là các sợi kéo dài, có một số lợi ích.

Dây kéo xòe cung cấp góc uốn nhỏ hơn so với dây tết tiêu chuẩn và có thể giảm các khuyết tật đan chéo bằng cách tăng độ nhẵn. Các góc uốn thấp hơn sẽ dẫn đến độ bền cao hơn. Vật liệu kéo trải cũng dễ gia công hơn so với vật liệu một chiều và vẫn có khả năng ngăn ngừa kéo xơ khá tốt.

kéo đơn giản

Trải vải dệt chéo kéo
một chiều
Như tên cho thấy, uni có nghĩa là một và tất cả các sợi hướng về cùng một hướng. Điều này mang lại một số lợi thế về độ bền cao cho vải một chiều (UD). Vải UD không được dệt thoi và không có bất kỳ sợi đan xen bị uốn nào có thể làm suy yếu cấu trúc. Thay vào đó, có các sợi liên tục bổ sung sức mạnh và độ cứng. Một lợi ích khác là khả năng tùy chỉnh ngăn xếp với khả năng kiểm soát tốt hơn đối với các đặc tính hiệu suất. Khung xe đạp là một ví dụ tuyệt vời về cách vải UD có thể được sử dụng để điều chỉnh hiệu suất. Khung cần phải cứng ở khu vực giá đỡ phía dưới để truyền lực của người lái tới các bánh xe, nhưng nó cũng cần phải tuân thủ và linh hoạt để không làm người lái choáng ngợp. Với vật liệu UD, bạn có thể chọn hướng chính xác của sợi để đạt được độ bền mong muốn.

Một nhược điểm lớn của UD là khả năng cơ động của nó. UD dễ dàng rơi ra trong quá trình xếp lớp vì nó không có các sợi xen kẽ để giữ chúng lại với nhau. Nếu các sợi được đặt không chính xác, gần như không thể định hướng lại chúng một cách chính xác. Các bộ phận gia công làm từ vải UD cũng có thể gây ra sự cố. Nếu bất kỳ sợi nào được kéo lên tại vị trí tính năng được cắt, thì những sợi rời đó sẽ được kéo lên toàn bộ chi tiết. Thông thường, nếu vật liệu UD được chọn để xếp lớp, một lớp vật liệu dệt được sử dụng cho lớp đầu tiên và lớp cuối cùng để cải thiện khả năng xử lý và độ bền của bộ phận. Đây là điều mà khung máy bay không người lái có sở thích làm tất cả các cách để sản xuất các bộ phận tên lửa.