newyddion

Ffibr carbonwedi ennill ei enw da yn onest. Mae'r Boeing 787 tua 50% o gyfansawdd yn ôl pwysau. Mae monocoques Fformiwla 1 wedi'u hadeiladu ohono ers dechrau'r 1980au. Aelodau prosthetig, strwythurau lloeren, llafnau tyrbinau gwynt, fframiau beiciau pen uchel - mae'r deunydd yn ymddangos lle bynnag y mae angen i beirianwyr gario llwyth heb gario pwysau.

Ar ryw adeg, trodd y cofnod hwnnw’n dybiaeth: hynnyffibr carbonyw'r deunydd strwythurol gorau sydd ar gael, pwynt llawn. Nid yw. Mae sawl deunydd yn rhagori ar ei berfformiad mewn ffyrdd penodol, mesuradwy - ac mae gwybod pa rai, a pham, yn fwy defnyddiol na thrin ffibr carbon fel y nenfwd.

Dyma lle mae'n cael ei guro mewn gwirionedd, a beth mae hynny'n ei olygu yn ymarferol.

Beth Mae “Cryfach” yn ei Olygu mewn Gwirionedd — a Pam Mae’n Newid Popeth

Mae'r gair yn gwneud llawer o waith mewn peirianneg deunyddiau, affibr carbonMae goruchafiaeth yn dibynnu'n fawr ar ba ddiffiniad rydych chi'n ei ddefnyddio.

Mantais wirioneddol ffibr carbon ywcryfder penodol a stiffrwydd penodol — y gymhareb rhwng perfformiad mecanyddol a phwysau. Yn erbyn y rhan fwyaf o fetelau strwythurol, mae'n ennill y gystadleuaeth honno'n bendant, a dyna pam y gwnaeth awyrofod a chwaraeon moduro ei fabwysiadu mor ymosodol ag y gwnaethant. Mae dur yn gryfach mewn termau absoliwt. Mae ffibr carbon yn gryfach fesul cilogram, sef y nifer sy'n bwysig pan fo pob gram yn costio tanwydd neu amser lap.

Ond nid un rhif yw perfformiad strwythurol. Mae'n bump o leiaf:

● Cryfder tynnol — ymwrthedd i gael ei dynnu ar wahân

● Cryfder cywasgol — ymwrthedd i falu (gwendid cymharol ffibr carbon)

● Anystwythder / modwlws elastig — ymwrthedd i anffurfiad elastig o dan lwyth

● Caledwch — ynni a amsugnwyd cyn torri, ni ddylid ei gymysgu â chryfder

● Sefydlogrwydd thermol — a yw'r priodweddau hynny'n para mewn tymereddau uchel

Ffibr carbonyn rhagorol yn y tri cyntaf ar sail y pwysau. Mae'n wirioneddol wael o ran caledwch - mae'n torri heb rybudd yn hytrach na dadffurfio - ac mae'n dechrau dirywio uwchlaw tua 400°C mewn aer yn dibynnu ar y matrics. Y ddau fwlch hynny yw lle mae pob deunydd ar y rhestr hon yn dod o hyd i'w agoriad.

1. Graffin — Cryfach ar Bapur, Cymhleth yn Ymarferol

Graffin sy'n cael y sylw mwyaf yn y wasg, ac mae'r niferoedd yn cyfiawnhau'r sylw. Dalen o garbon un atom o drwch mewn dellt hecsagonol, mae ei chryfder tynnol tua 200 gwaith cryfder dur strwythurol yn ôl pwysau. Mae ei fodiwlws elastigedd yn fwy na ffibr carbon. Ar y ddau fetrig hynny, nid oes dim sy'n bodoli yn dod yn agos.

Felly pam nad yw awyrennau'n cael eu hadeiladu ohono?

Y broblem yn gyfan gwbl yw gweithgynhyrchu. Mae priodweddau graffin yn bodoli ar y lefel foleciwlaidd, ac maent yn dibynnu ar berffeithrwydd strwythurol. Y foment y byddwch chi'n ceisio adeiladu rhywbeth ar raddfa ddynol - unrhyw beth y gallech chi ei ddal mewn gwirionedd - rydych chi'n cyflwyno ffiniau grawn, diffygion ac anghysondebau sy'n chwalu'r niferoedd damcaniaethol hynny'n gyflym. Mae dalen graffin heb ddiffygion sy'n fwy nag ychydig gentimetrau yn parhau i fod yn broblem beirianneg heb ei datrys ar raddfa fasnachol yn 2025, heb sôn am banel strwythurol.

Lle mae graffen yn cael gafael wirioneddol yw fel ychwanegyn. Mae ymgorffori naddion graffen neu ocsid graffen mewn systemau resin ffibr carbon yn gwella cryfder cneifio rhyng-haenog, dargludedd thermol, ac mewn rhai fformwleiddiadau, perfformiad trydanol. Mae'r deunydd yn gwneudcyfansoddion ffibr carbon yn well yn fesuradwy. Nid yw'n eu disodli.

Dyfarniad:Mae graffin yn ddiamwys yn gryfach na ffibr carbon ar y nanosgâl. Ar raddfa beirianneg, mae'n welliant - un sylweddol, ond nid yn lle'r ffibr strwythurol ei hun. Eto i gyd.

2. Nanotiwbiau Carbon — Y Cystadleuydd Damcaniaethol Agosaf

Mae'n anodd dadlau â'r niferoedd ar bapur. Mae gan nanotiwbiau carbon gryfder tynnol a stiffrwydd damcaniaethol sy'n rhagori ar y ffibr carbon modiwlws uchel gorau o bell ffordd, fel pe gallech chi adeiladu cydrannau strwythurol ohonynt ar raddfa fawr, byddai'r diwydiannau awyrofod a chwaraeon modur yn edrych yn wahanol.

Mae'r "os" hwnnw wedi bod yn eistedd yno ers tua tri deg mlynedd.

Y broblem graidd yw peidio â deall y deunydd - mae ymchwilwyr yn gwybod yn union pam mae CNTs yn perfformio fel y maent, ac mae'r ffiseg yn gadarn. Y broblem yw bod nanotube carbon, yn ôl y diffiniad, yn wrthrych ar raddfa nanometr. Mae cael biliynau ohonynt i alinio i'r un cyfeiriad, bondio'n gydlynol, a ffurfio ffibr parhaus heb y diffygion sy'n chwalu'r priodweddau damcaniaethol hynny yn her weithgynhyrchu sydd wedi gwrthsefyll pob ymgais ddifrifol i ddod o hyd i ateb ar raddfa ddiwydiannol. Mae ffibrau CNT yn bodoli mewn lleoliadau labordy. Mae rhai wedi cyhoeddi niferoedd trawiadol mewn profion rheoledig. Nid oes yr un ohonynt wedi perfformio'n gyson yn well na ffibr carbon modiwlws uchel ar draws y gyfres eiddo lawn o dan amodau sy'n adlewyrchu cymwysiadau strwythurol go iawn.

Yr hyn y mae CNTs yn ei wneud yn dda ar hyn o bryd yw gweithio fel ychwanegyn - mae eu gwasgaru trwy fatrics resin prepreg ffibr carbon yn gwella cryfder cneifio rhyng-laminar, gan fynd i'r afael ag un o'r dulliau methiant mwy parhaus mewn cyfansoddion ffibr carbon. Mae hynny'n gyfraniad gwirioneddol, sy'n ddefnyddiol yn fasnachol. Nid dyna oedd unrhyw un yn ei ddychmygu pan ddechreuodd ymchwil CNT gynhyrchu penawdau yn y 1990au.

Yr ongl dargludedd trydanol yw'r cymhwysiad byw arall: gall CNTs wneud strwythurau cyfansawdd yn ddargludol heb y gosb pwysau o rhwyllau metelaidd mewnosodedig, sy'n bwysig ar gyfer amddiffyn rhag taro mellt mewn awyrennau a tharianu electromagnetig mewn clostiroedd electroneg.

Dyfarniad:Nid yw CNTs yn ddeunydd cryfach na ffibr carbon y gallwch ei bennu heddiw. Maent yn gwellaydd cyfansawdd ffibr carbon sydd â phriodweddau annibynnol rhyfeddol nad yw wedi dod o hyd i ffordd i'w mynegi ar raddfa beirianneg eto. Mae a fydd hynny'n newid yn y degawd nesaf yn dibynnu llai ar wyddoniaeth deunyddiau nag ar ddatblygu prosesau gweithgynhyrchu.

3. Nanotubiau Boron Nitrid — Lle mae Gwres yn Elyn

Os yw graffen a CNTs yn gystadleuwyr strwythurol ffibr carbon ar bapur, mae nanotiwbiau boron nitrid yn mynd i'r afael â gwendid hollol wahanol: beth sy'n digwydd pan ddaw'r llwyth gyda gwres ynghlwm.

Mae nanotiwbiau nano carbon yn strwythurol debyg i CNTs — tiwbaidd, nanosgâl — ond wedi'u hadeiladu o atomau boron a nitrogen bob yn ail yn hytrach na charbon. Mae eu cryfder tynnol a'u stiffrwydd yn gymharol. Y gwahaniaethwr hollbwysig yw sefydlogrwydd thermol: mae BNNTs yn aros yn strwythurol gyfan mewn aer hyd at tua 900°C. Mae nanotiwbiau carbon yn ocsideiddio ac yn dechrau diraddio tua 400°C. Mae cyfansoddion ffibr carbon safonol, yn dibynnu ar y matrics resin, yn dechrau colli cyfanrwydd strwythurol rywle rhwng 120°C a 250°C o dan lwyth parhaus.

Ar gyfer cerbydau hypersonig, sgriniau gwres ail-fynediad, a chydrannau injan jet y genhedlaeth nesaf, nid yw'r bwlch thermol hwnnw'n droednodyn - dyma'r broblem ddylunio gyfan. Nid yw deunydd sy'n colli ei gryfder ar 200°C yn ymgeisydd ar gyfer cydran sy'n gweld 800°C, waeth pa mor dda yw ei ffigurau tymheredd ystafell. Mae BNNTs yn cael eu datblygu'n weithredol ar gyfer yr union gymwysiadau hyn, er eu bod yn parhau i fod yn gyn-gynhyrchu i raddau helaeth.

Dyfarniad:Mewn unrhyw gymhwysiad lle mae llwyth strwythurol a gwres difrifol yn dod at ei gilydd, mae BNNTs yn cynnig gallu na all ffibr carbon - a'r rhan fwyaf o ddeunyddiau cyfansawdd datblygedig - ei gyfateb. Y cyfyngiad yw argaeledd, nid perfformiad.

4. Ffibrau Silicon Carbid — Yr Ateb Tymheredd Uchel sydd Eisoes yn Hedfan

Er bod BNNTs yn dal i fod yn ddatblygiadol i raddau helaeth, mae ffibrau silicon carbid parhaus eisoes mewn gwasanaeth mewn amgylcheddau lle byddai ffibr carbon yn methu'n llwyr.

Mae ffibrau SiC yn cynnal priodweddau strwythurol ar dymheredd ymhell uwchlaw 1,000°C, gan eu gwneud yn hyfyw ar gyfer adrannau poeth injan jet, cydrannau tyrbinau, a chyfnewidwyr gwres awyrofod - cymwysiadau lle nad yw ffibr carbon hyd yn oed yn y sgwrs. ​​Maent hefyd yn mynd i'r afael â phroblem cryfder cywasgol ffibr carbon: un o gyfyngiadau ffibr carbon sy'n cael llai o drafodaeth yw bod ei gryfder cywasgol yn sylweddol is na'i gryfder tynnol, canlyniad sut mae ffibrau unigol yn ymateb i ficrobwclo o dan gywasgiad echelinol. Nid oes gan ffibrau SiC yr anghymesuredd hwnnw i'r un graddau.

Y cyfyngiadau ymarferol yw cost a phrosesadwyedd. Mae cyfansoddion ffibr SiC angen systemau matrics ceramig yn hytrach na'r matricsau polymer a ddefnyddir gyda ffibr carbon, sy'n golygu offer gwahanol, tymereddau prosesu gwahanol, a chost uwch fesul rhan. Maent yn meddiannu gofod cymhwysiad culach am y rhesymau hynny.

Dyfarniad:Ar gyfer uniondeb strwythurol o dan amodau thermol a chyrydol eithafol, mae ffibrau SiC yn perfformio'n well na ffibr carbon mewn ffyrdd nad ydynt yn agos. Lle mae'r amlen dymheredd yn gwahardd ffibr carbon, ffibr SiC yw'r ateb peirianneg yn aml - ac yn wahanol i'r rhan fwyaf o ddeunyddiau ar y rhestr hon, mae'n ateb sydd eisoes yn bodoli mewn caledwedd cynhyrchu.

5. Ffibrau UHMWPE (Dyneema, Spectra) — Pan fydd Caledwch yn Trechu Anystwythder

Ffibr carbon nid yw'n methu'n rasol. Pan fydd yn mynd, mae'n mynd i gyd ar unwaith - toriad sydyn, dim rhybudd, dim anffurfiad i'ch tywys chi i ffwrdd. Y breuder hwnnw yw'r cyfaddawd rydych chi'n ei dderbyn am ei anystwythder rhyfeddol a'i gryfder penodol, ac mewn strwythurau awyrennau neu monocoques rasio, mae'n gyfaddawd sy'n gwneud synnwyr peirianneg.

Mae Dyneema a Spectra yn gweithio ar ffiseg hollol wahanol. Mae'r ddau yn ffibrau UHMWPE — Polyethylen Pwysau Moleciwlaidd Uchel Iawn — a'r hyn maen nhw'n wirioneddol eithriadol ynddo yw amsugno ynni yn hytrach na gwrthsefyll anffurfiad. Mae eu hamsugniad ynni penodol fesul uned pwysau ymhlith yr uchaf o unrhyw ffibr strwythurol. Nid yw panel a adeiladwyd o Dyneema yn chwalu pan fydd rhywbeth yn ei daro'n galed; mae'n ymestyn, yn dosbarthu'r llwyth, ac yn gwasgaru'r effaith ar draws y deunydd. Dyna'n union yr ymddygiad rydych chi ei eisiau pan fo'r broblem ddylunio yn atal bwled neu lafn yn hytrach na dal adain mewn siâp.

Mae priodweddau eraill sy'n werth eu nodi: mae ffibrau UHMWPE yn arnofio mewn dŵr, sy'n bwysig ar gyfer rhaffau morol a llinellau angori alltraeth lle mae pwysau'n cyfateb i gilometrau o gebl. Maent yn gwrthsefyll crafiadau a'r rhan fwyaf o amlygiad cemegol yn dda. Ac yn wahanol icyfansoddion ffibr carbon, maen nhw'n ddigon hyblyg i'w gwehyddu'n uniongyrchol i fenig sy'n gwrthsefyll toriadau, arfwisg corff, a thecstilau amddiffynnol - dim mowldiau, dim awtoclaf, dim resin.

Mae'r bwlch anystwythder yn real. Mae modwlws elastigedd UHMWPE yn sylweddol is na ffibr carbon, sy'n ei atal rhag cael ei ddefnyddio ar gyfer cymwysiadau strwythurol lle mae gwyriad o dan lwyth yn gyfyngiad llywodraethol. Nid oes neb yn adeiladu sbariau awyrennau o Dyneema.

Ond os cyflwynir y cwestiwn yn wahanol — beth sy'n gryfach na ffibr carbon pan fo'r llwyth yn ginetig, nid yn statig? — ac mae UHMWPE yn ennill ar y metrig sy'n llywodraethu'r dyluniad mewn gwirionedd. Mae'n ofod perfformiad gwahanol, nid un llai.

Dyfarniad:O ran ymwrthedd i effaith a chaledwch, mae ffibr UHMWPE yn perfformio'n well na chyfansoddion ffibr carbon mewn ffyrdd mesuradwy sy'n diffinio cymwysiadau. Nid y deunydd ysgafn cryfaf ar gyfer amddiffyniad balistig yw'r un mwyaf anhyblyg - dyma'r un sy'n amsugno'r mwyaf o egni cyn iddo fethu.

6. Cyfansoddion Matrics Metel — Pontio Priodweddau Metelaidd a Chyfansawdd

Mae categori o broblem beirianneg syddcyfansoddion ffibr carbonyn trin yn wael ac mae metelau pur yn trin yn ddrud, ac mae MMCs yn bodoli oherwydd hynny.

Cymerwch fraced lloeren sydd angen bod yn ysgafn, yn sefydlog o ran dimensiwn ar draws siglen thermol o 300°C mewn orbit, yn ddargludol yn drydanol ar gyfer seilio, ac yn ddigon anystwyth fel nad yw'n plygu o dan lwythi dirgryniad. Mae rhan ffibr carbon matrics polymer yn cwmpasu efallai dau o'r gofynion hynny. Gall MMC alwminiwm - y metel wedi'i atgyfnerthu â gronynnau silicon carbid - gwmpasu'r pedwar. Ni fydd yn ennill cystadleuaeth pwysau yn erbynCFRPyn llwyr, ond mae anystwythder penodol yn gwella'n ystyrlon dros alwminiwm heb ei atgyfnerthu, ac nid oes angen atebion dros dro ar gyfer yr ymddygiad thermol a thrydanol y mae cyfansoddion polymer yn ei chael hi'n anodd.

Mae rotorau brêc modurol yn enghraifft lanach. Y gwaith yw amsugno a gwasgaru symiau enfawr o wres o dan frecio trwm dro ar ôl tro wrth wrthsefyll traul a chynnal uniondeb dimensiynol. Defnyddir cyfansoddion ffibr carbon yn y cymhwysiad hwn ar ben uchaf chwaraeon moduro, ond mae angen i dymheredd gweithredu aros o fewn band cul ac maent yn ddrud i'w disodli. Mae MMCs alwminiwm wedi'u hatgyfnerthu â silicon carbide yn trin ystod thermol ehangach, yn goddef mwy o gamdriniaeth, ac yn costio llai fesul cylch gwasanaeth ar gyfer cymwysiadau ffordd lle mae angen i gyfnodau disodli fod yn ymarferol.

Mae'r pwynt cryfder cywasgol yn werth ei wneud yn glir: mae cryfder cywasgol ffibr carbon yn sylweddol is na'i gryfder tynnol - canlyniad sut mae ffibrau'n ymateb i ficrobwcl. Nid yw MMCs yn cario'r anghymesuredd hwnnw. Ar gyfer cydrannau sy'n cael eu llwytho'n bennaf mewn cywasgiad - arwynebau dwyn, nodau strwythurol o dan lwyth echelinol, caledwedd mowntio - mae hynny'n bwysicach na'r rhifau pennawd tynnol.

Dyfarniad:Nid yw MMCs yn perfformio'n well na ffibr carbon o ran cryfder tynnol penodol. Maent yn ei wneud yn well o ran y cyfuniad o ystod thermol, cryfder cywasgol, ymddygiad trydanol, a chaledwch effaith y mae rhai cymwysiadau'n ei gwneud yn ofynnol ar yr un pryd. Pan fydd angen deunydd ar y dyluniad sy'n ymddwyn fel metel ond sy'n perfformio'n agosach at gyfansawdd uwch, mae MMCs yn llenwi bwlch na chafodd ffibr carbon ei gynllunio erioed ar ei gyfer.

Pam mae Ffibr Carbon yn Dal i Ennill y Rhan Fwyaf o'r Amser

Nid yw'r un o'r uchod yn ddadl sy'nffibr carbonwedi darfod. Mae ei oruchafiaeth barhaus mewn cymwysiadau strwythurol perfformiad uchel yn adlewyrchu manteision gwirioneddol nad oes unrhyw gystadleuydd sengl wedi'u cau.

Yr ecosystem gweithgynhyrchu yw'r rhan sy'n anaml yn cael ei chrybwyll. Mae cyfansoddion ffibr carbon yn elwa o ddegawdau o fireinio prosesau - technegau gosod, cylchoedd awtoclaf, dulliau archwilio nad ydynt yn ddinistriol, protocolau atgyweirio, cronfeydd data dylunio a ganiateir, cadwyni cyflenwi ardystiedig. Mae gan beiriannydd sy'n pennu rhan gyfansawdd ffibr carbon yn 2025 fynediad at offer efelychu, llyfrgelloedd modd methiant, a phrosesau cymhwyso cyflenwyr nad ydynt yn bodoli eto ar gyfer y rhan fwyaf o'r deunyddiau ar y rhestr hon. Mae gan y wybodaeth sefydliadol honno werth peirianneg go iawn, ac nid yw'n trosglwyddo'n awtomatig i ddeunydd newydd ni waeth pa mor dda y mae cwponau prawf y deunydd hwnnw'n edrych.

Mae bron yn sicr y bydd graffin a CNTs yn gwellacyfansoddion ffibr carboncyn iddyn nhw eu disodli. Mae ffibrau SiC a BNNTs yn mynd i'r afael â phroblemau thermol na chafodd ffibr carbon ei gynllunio erioed i'w datrys. Mae UHMWPE yn mynd i'r afael â phroblem caledwch mewn cymwysiadau gydag achosion llwyth hollol wahanol. Mae'r patrwm yn gyson: nid yw'r un o'r deunyddiau hyn yn curo ffibr carbon ar draws y bwrdd. Mae pob un yn ei guro ar echel benodol lle mae cyfaddawdau dylunio ffibr carbon yn digwydd bod yn bwysicaf.

Ble mae'r Maes yn Mynd mewn Gwirionedd

Nid y cwestiwn mwy defnyddiol yw pa ddeunydd sy'n disodliffibr carbon — dyna sut mae'r deunyddiau hyn yn cael eu defnyddio gyda'i gilydd.

Nid yw paneli strwythurol gyda laminad sylfaenol ffibr carbon, resin wedi'i wella â graffen ar gyfer caledwch rhyng-laminar, ac atgyfnerthiad ffibr SiC lleol mewn parthau tymheredd uchel yn ddyfalu. Maent yn cael eu datblygu'n weithredol mewn rhaglenni awyrofod mawr. Mae'r cysyniad - cyfansoddion hierarchaidd, neu systemau deunydd wedi'u peiriannu ar sawl graddfa ar yr un pryd - yn cynrychioli newid gwirioneddol yn y ffordd y mae deunyddiau strwythurol yn cael eu pennu. Yn lle dewis yr un deunydd gorau ar gyfer rhan, mae peirianwyr yn dechrau pensaernïo cyfuniadau deunydd wedi'u teilwra i'r achosion llwyth penodol, graddiannau tymheredd, a dulliau methiant y bydd cydran yn eu gweld mewn gwirionedd mewn gwasanaeth.

Mae'r fframio cystadleuol — graffen yn erbyn ffibr carbon, CNTs yn erbyn ffibr carbon — yn methu â chyfeiriad y dechnoleg. Yr ateb i "beth sy'n gryfach na ffibr carbon" yw: cyfansawdd sy'n cynnwys ffibr carbon fel un o sawl cyfnod atgyfnerthu, pob un yn cyfrannu lle mae'n perfformio orau.

Crynodeb

Ffibr carbon nid yw'r deunydd cryfaf. Dyma'r deunydd cryf mwyaf ymarferol ar draws yr ystod ehangaf o gymwysiadau strwythurol - ac mae hwnnw'n deitl anoddach i'w gymryd i ffwrdd nag unrhyw fetrig perfformiad sengl.