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

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

Sợi carbon được làm từ các tiền chất như polyacrylonitrile (PAN) và rayon. Các sợi tiền thân được xử lý hóa học, nung nóng và kéo căng, sau đó được cacbon hóa để tạo thành các sợi có độ bền cao. Những sợi hoặc sợi này sau đó được bó lại với nhau và được xác định bằng số lượng sợi carbon mà chúng chứa. Xếp hạng kéo phổ biến là 3k, 6k, 12k và 15k. Chữ "k" là viết tắt của hàng nghìn, do đó, dây kéo 3k được làm từ 3,000 sợi carbon. Dây kéo 3k tiêu chuẩn thường rộng 0,125 inch, do đó có rất nhiều sợi được nhồi nhét vào một không gian nhỏ. Xe kéo 6k có 6,000 sợi carbon, xe kéo 12k có 12,{16}} sợi carbon, v.v. Một lượng lớn sợi có độ bền cao được bó lại với nhau làm cho sợi carbon trở thành một vật liệu bền.

dệt sợi carbon
Sợi carbon thường ở dạng vải dệt, giúp gia công dễ dàng hơn và có thể cung cấp thêm độ bền kết cấu tùy thuộc vào ứng dụng. Vì vậy, vải sợi carbon có thể được dệt theo nhiều cách khác nhau. Những loại phổ biến nhất là vải trơn, vải chéo và sa tanh có dây đeo, và chúng tôi sẽ đề cập chi tiết đến từng chất liệu.

dệt trơn
Các tấm sợi carbon trơn có hình dáng đối xứng với hình dáng bàn cờ nhỏ. Trong kiểu dệt này, các sợi được dệt theo kiểu trên/dưới. Khoảng cách ngắn giữa các sợi dệt đan xen mang lại cho vải dệt trơn độ ổn định cao. Độ ổn định của vải đề cập đến khả năng vải duy trì góc dệt và hướng sợi. Do có độ ổn định cao nên vải dệt trơn ít phù hợp với những kiểu vải có đường viền phức tạp và nó sẽ không linh hoạt như một số loại vải khác. Nói chung, vải dệt trơn thích hợp cho các tấm phẳng, ống và đường cong hai chiều.

Một nhược điểm của kiểu dệt này là các sợi bị quăn nghiêm trọng do khoảng cách giữa các sợi đan xen ngắn (các góc mà sợi tạo thành khi dệt, xem bên dưới). Việc gấp nếp mạnh sẽ tạo ra sự tập trung ứng suất làm suy yếu bộ phận đó theo thời gian.

Dệt chéo
Vải chéo là cầu nối giữa dệt trơn và dệt sa tanh mà chúng ta sẽ thảo luận tiếp theo. Vải Twill có tính linh hoạt tốt và có thể tạo thành các đường viền phức tạp. Nó kém hơn vải satin có dây treo trong việc duy trì độ ổn định của vải, nhưng không tốt bằng vải dệt trơn. Nếu bạn đi theo các sợi kéo theo kiểu dệt chéo, nó sẽ đi qua một số lần kéo nhất định và sau đó đi qua cùng một số lần kéo. Mẫu lên/xuống tạo ra hình dạng của một mũi tên chéo, được gọi là "đường chéo". Khoảng cách dài hơn giữa các sợi dây đan xen có nghĩa là ít quăn hơn và ít tập trung ứng suất tiềm ẩn hơn so với vải dệt trơn.

Vải chéo 2×2

vải chéo 4x4
Vải chéo 2×2 có lẽ là loại vải dệt sợi carbon nổi tiếng nhất trong ngành. Nó được sử dụng trong nhiều ứng dụng mỹ phẩm và trang trí nhưng cũng có tính ứng dụng cao, nó kết hợp khả năng tạo hình trung bình với độ ổn định trung bình. Đúng như tên gọi 2×2, mỗi sợi dây sẽ đi qua 2 sợi dây rồi vượt qua cả hai sợi dây. Tương tự như vậy, vải chéo 4 × 4 sẽ được luồn qua 4 dây và sau đó qua 4 dây. Nó tạo thành tốt hơn một chút so với vải chéo 2 × 2 vì kiểu dệt không chặt bằng nhưng cũng kém ổn định hơn.

khai thác satin
Dệt satin được thiết kế từ hàng nghìn 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 dễ dàng được tạo hình và quấn quanh các đường viền phức tạp. Vì loại vải này có khả năng định hình cao nên độ ổn định của nó được cho là sẽ thấp. Các kiểu dệt sa tanh có viền phổ biến bao gồm 4-satin có viền (4HS), 5-satin có viền (5HS) và sa tanh có viền 8-(8HS). Khi số lượng vải sa tanh dệt tăng lên, khả năng định 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 dây kéo đi qua. Đối với 4HS nó sẽ đi qua 3 lần kéo và sau đó là dưới 1 lần kéo. Đối với 5HS nó sẽ đi qua 4 lần kéo rồi dưới 1 lần kéo, còn đối với 8HS nó sẽ đi qua 7 lần kéo rồi dưới 1 lần kéo.

Kéo lan so với kéo tiêu chuẩn
Vật liệu kéo trải có thể là sự kết hợp tốt giữa việc sử dụng vật liệu một chiều và vật liệu bện tiêu chuẩn. Khi các sợi xơ được dệt lên xuống để tạo thành vải, độ bền sẽ giảm đi do các sợi vải bị gấp nếp. Khi bạn tăng số lượng sợi trong một dây kéo tiêu chuẩn (ví dụ từ 3k lên 6k), sợi dây sẽ trở nên lớn hơn (dày hơn) và góc cong trở nên cứng hơn. Một cách để tránh điều này là trải các sợi thành các sợi rộng hơn, điều này được gọi là trải các sợi và có một số lợi ích khi thực hiện việc này.

Việc trải dây kéo mang lại góc cong nhỏ hơn so với bện dây kéo tiêu chuẩn và có thể giảm các khuyết tật chéo bằng cách tăng độ mượt. Góc uốn thấp hơn sẽ mang lại độ bền cao hơn. Vật liệu kéo trải cũng dễ gia công hơn so với vật liệu đơn hướng và vẫn có khả năng chống kéo sợi khá tốt.

Mở ra kéo dệt trơn

Dệt chéo kéo

một chiều
Như tên gợi ý, uni, nghĩa là một, tất cả các sợi đều được định hướng theo cùng một hướng. Điều này mang lại một số lợi thế về độ bền cao cho vải một chiều (UD). Vải UD không dệt và không có bất kỳ sợi đan xen nào bị gấp nếp có thể làm suy yếu cấu trúc. Ngược lại, sợi liên tục tăng thêm sức mạnh và độ cứng. Một lợi ích khác là khả năng tùy chỉnh bố cục với khả năng kiểm soát tốt hơn các đặc tính hiệu suất. Khung xe đạp là một ví dụ điển hình về cách sử dụng vải UD để điều chỉnh hiệu suất. Khu vực giá đỡ phía dưới của khung phải cứng để truyền lực của người lái tới các bánh xe, nhưng khung cũng cần phải mềm dẻo, dẻo dai để tránh gây thương tích cho người lái. Với vật liệu UD, bạn có thể chọn hướng chính xác của sợi để có được độ bền cần thiết.

Một nhược điểm lớn của UD là khả năng cơ động của nó. UD có thể dễ dàng bị bong ra trong quá trình xếp chồng lên nhau vì nó không có các sợi đan xen để giữ chúng lại với nhau. Nếu các sợi được đặt không đúng cách, gần như không thể chuyển hướng chúng một cách chính xác trở lại. Các bộ phận gia công làm từ vải UD cũng có thể gây ra vấn đề. Nếu bất kỳ sợi nào kéo lên ở vị trí bị cắt, thì những sợi lỏng lẻo đó có thể kéo toàn bộ bộ phận lên. Thông thường, nếu chọn vật liệu UD để cán màng, một lớp vật liệu dệt sẽ được sử dụng cho lớp đầu tiên và lớp cuối cùng để cải thiện khả năng gia công và độ bền của bộ phận. Điều này được thực hiện từ khung máy bay không người lái dành cho những người có sở thích cho đến sản xuất các bộ phận tên lửa.