1k uhlíkové vlákno Plain Weave: Tajomstvo za jeho vynikajúcou silou a modulom

Štrukturálny základ 1k z uhlíkových vlákien Plain väzba ​
1k uhlíková vlákna Plain Weave, tu „1K“ tu jasne naznačuje, že vlečie uhlíkové vlákna sa skladá z 1 000 vlákien. V porovnaní s bežnými uhlíkovými vláknami 3K a 12K má uhlíkové vlákna 1K výrazne menej vlákien. Táto základná charakteristika má hlboký vplyv na jej následnú štrukturálnu tvorbu a výkonnosť výkonu z koreňa. ​

1k/3k/12k tkanina uhlíkových vlákien
V procese tkania môže každé vlákno v dôsledku relatívne malého počtu vlákien získať viac priestoru v štruktúre tkania, čím sa dosiahne pravidelnejšie a riadnejšie usporiadanie. Keď je proces obyčajnej väzby prijatý, osnovy a útkové priadze striktne sledujú prepletenie pravidla jedného hore a jedného dole a navzájom sa kyká tam a späť. Tento prísny a pravidelný vzorec tkania v konečnom dôsledku vytvára mimoriadne jemnú a jemnú štruktúru textúry 1k uhlíkovej vlákniny. Jeho látkový povrch predstavuje jemnú a hladkú textúru, akoby to bolo jemné umelecké dielo starostlivo vyrezávané špičkovými remeselníkom, s jednotnou a tesnou textúrou a takmer žiadne zjavné medzery alebo nedostatky.
Táto jedinečná mikroštruktúra predstavuje solídny základ pre následný mimoriadny výkon 1K uhlíkovej vlákniny Plain Weave z hľadiska sily a modulu. Tesné a pravidelné usporiadanie vlákniny výrazne znižuje pravdepodobnosť vnútorných štrukturálnych defektov, takže ak je vystavený vonkajším silám, stres môže byť efektívne a rovnomerne prenosný pozdĺž vlákniny, čím sa účinne vyhýbajú štrukturálnym poškodeniu spôsobeným koncentráciou miestneho stresu a poskytujú silnú záruku na udržiavanie štrukturálnej integrity v zložitých stresových prostrediach. ​

Vplyv výrobného procesu na výkonnosť
I) Spojenie na výrobu uhlíkových vlákien
Predbežné ošetrenie surovín: Výroba uhlíkových vlákien 1K sa začína prísnym skríningom vysokokvalitných surovín. Ako počiatočné suroviny sa zvyčajne vyberú polyakrylonitrilové vlákno, asfaltová vláknina alebo viskóza. Kvalita týchto surovín priamo súvisí s kvalitou konečných uhlíkových vlákien. Pred vstupom do formálneho výrobného procesu musí prejsť viacerými procesmi jemného predbežného ošetrenia. Ako príklad, keď vezmeme panské vlákno, musí byť najprv prísne ošetrené, aby sa odstránili nečistoty, škvrny od oleja a možné nepolymerizované monoméry pripevnené k povrchu vlákna chemickým čistením, filtráciou a inými prostriedkami na zabezpečenie vysokej čistoty surovín. Tento krok je rozhodujúci pre stabilitu štruktúry vlákien a rovnomernosť výkonnosti počas následného procesu karbonizácie. Prítomnosť nečistôt môže spôsobiť miestne defekty počas karbonizácie, čo vážne ovplyvňuje pevnosť a modul uhlíkových vlákien. ​
Riadenie procesu karbonizácie: Karbonizácia je základné spojenie pri premene predbežných vlákien na uhlíkové vlákna. Presnou kontrolou kľúčových parametrov, ako je teplota, tlak a čas v tomto procese, je umenie. V prípade uhlíkových vlákien 1K, vďaka svojmu tenšiemu priemeru jediného vlákna sú presné požiadavky na kontrolu procesu počas procesu karbonizácie takmer tvrdé v porovnaní s uhlíkovými vláknami s vysokým obsahom K. ​
Počas fázy zahrievania je potrebné teplotu zvýšiť do vopred určeného rozsahu extrémne pomalým a rovnomerným rýchlosťou. Dôvodom je, že príliš rýchla rýchlosť zahrievania môže spôsobiť prudké zvýšenie tepelného napätia vo vnútri vlákna, čo spôsobí zlomenie vlákien alebo vnútornú štrukturálnu deformáciu. Keď teplota dosiahne špecifický rozsah karbonizácie, vo vnútri vlákna sa vyskytujú komplexné chemické zmeny, nemenné prvky postupne unikajú vo forme plynu a uhlíkové prvky začínajú zmeniť a kryštalizovať, aby tvorili vysoko orientovanú grafitovú mikrokryštalickú štruktúru. V tomto procese presná kontrola tlakového prostredia pomáha podporovať riadne usporiadanie uhlíkových prvkov a zlepšuje kryštalinitu a orientáciu uhlíkových vlákien. Zároveň doba karbonizácie trvá niekoľko hodín a špecifické trvanie závisí od charakteristík surovín a výkonu cieľového produktu. Presná kontrola času môže zabezpečiť, aby reakcia karbonizácie bola dostatočná a stredná, pričom sa zabráni neúplnej reakcii, ktorá vedie k zlej výkonnosti uhlíkových vlákien a zabránenie nadmernej karbonizácie zvyšuje krehkosť vlákien. Prostredníctvom takejto regulácie procesu jemnej karbonizácie môže uhlíkové vlákna 1K tvoriť vysokokvalitnú mikroštruktúru, ktorá položí solídny výkonný základ pre následné tkanie do látky a výrobu kompozitných materiálov. ​

Ii) optimalizácia procesu tkania
Záruka presnosti zariadenia: V procese tkania 1K uhlíkového vlákna do obyčajnej látky zohráva kľúčovú úlohu pokročilé vysoko presné tkanie zariadení. Tento typ zariadenia je vybavený sofistikovaným systémom riadenia pohybu, ktorý dokáže kontrolovať prepletenie osnovných a útkových priadzí veľmi presne. Elektronická technológia Jacquard môže presne ovládať zdvíhací a zníženie pohybu každej osnovnej priadze podľa predvoleného vzoru tkania, aby sa zabezpečilo presné prepletenie s priadzou útla. Senzor napätia zároveň monitoruje zmeny napätia priadze v reálnom čase a zariadenie automatického nastavenia sa používa na dynamickú úpravu napätia, takže osnovy a útkové priadze vždy udržiavajú rovnomerné a primerané napätie počas procesu tkania. Pri tkaní 1k z uhlíkových vlákien Plain handrička môže príliš vysoké napätie spôsobiť zlomenie monofilu, zatiaľ čo príliš nízke napätie spôsobí uvoľnenie tkanej štruktúry a ovplyvní celkový výkon handričky. ​
Úprava procesných parametrov: Okrem presnosti zariadenia je optimalizácia parametrov tkania procesu tiež dôležitým prostriedkom na zlepšenie kvality 1k uhlíkových vlákien. Rýchlosť tkania je kľúčovým parametrom. Pre uhlíkové vlákna 1K sa rýchlosť tkania obvykle reguluje na relatívne nízkej úrovni. Dôvodom je skutočnosť, že nižšia rýchlosť tkania pomáha operátorom lepšie pozorovať a riadiť proces tkania a okamžite objavovať a vyriešiť možné problémy, ako je vinutie monofilu a zlomené vodiče. Pomalá rýchlosť tkania môže znížiť mechanické poškodenie monofilu počas tkania procesu a v najväčšej miere udržiavať integritu a pôvodný výkon monofilu. Úpravou prepleteného uhla osnovy a útkových priadzí, zmenou metódy vloženia útkových priadz a ďalších procesných parametrov môže byť štruktúra obyčajnej látky ďalej optimalizovaná tak, aby bola kompaktnejšia a stabilnejšia, čím sa dá plná hra na pevnosť a modulové výhody samotného uhlíkového vlákna.

Analýza výhod sily a výkonu modulu
I) Mechanizmus dosiahnutia vysokej sily
Výhody mikroštruktúry: Ak je handrička s uhlíkovými vláknami 1K zložená s matricovými materiálmi, ako je živica na prípravu kompozitných materiálov, je úplne demonštrovaný vynikajúci výkon v pevnosti. V mikroštruktúre kompozitného materiálu sú monofilamenty s uhlíkovými vláknami 1K vysoko pravidelne usporiadané počas procesu tkania, takže po zložení matricového materiálu sa môže orientácia a distribúcia vlákien extrémne presne kontrolovať. Štúdie ukázali, že za ideálnych podmienok je stupeň orientácie uhlíkových vlákien 1K v kompozitnom materiáli extrémne vysoký, čo znamená, že väčšina monofilantov z uhlíkových vlákien môže byť v prvom rade v strese materiálu v najlepšom smere zaťaženia. Ak je kompozitný materiál vystavený vonkajšej sile v ťahu, napätie sa môže rýchlo a efektívne prenášať pozdĺž monofilamentov uhlíkových vlákien. Pretože každý monofil môže poskytnúť plnú hru svojim charakteristikám s vysokou pevnosťou, celý kompozitný materiál môže vydržať veľkú ťahovú silu bez deformácie alebo zlomeniny, čo má významné výhody oproti pevnosti v ťahu bežnej ocele. ​
Posilnenie spojenia rozhrania: Okrem orientácie a distribučných výhod samotného vlákna je dobré rozhranie spojené medzi 1k uhlíkovou tkaninou na tkaninu a matricový materiál tiež jedným z kľúčových faktorov na dosiahnutie vysokej pevnosti. V procese prípravy kompozitných materiálov môže byť výkon medzifázovej väzby medzi uhlíkovou vláknou a matricovou živicou významne zlepšený chemickou liečbou povrchu uhlíkových vlákien alebo použitím špeciálnych spojovacích činidiel. Aktívne funkčné skupiny sa zavádzajú na povrchu uhlíkových vlákien oxidáciou. Tieto funkčné skupiny môžu chemicky reagovať s molekulami živice za vzniku chemických väzieb, čím sa zvyšuje medzifázová väzba medzi vlákninou a matricou. Dobré medzifázové väzby umožňuje efektívne prenos a distribúciu stresu medzi vlákninu a matricu, keď je kompozitný materiál vystavený stresu, vyhýba sa výskytu javov zlyhania, ako je demontáž rozhrania, a ďalej zlepšuje celkovú pevnosť kompozitného materiálu. ​

Ii) vnútorný princíp vysokého modulu
Príspevok vnútorného výkonu uhlíkových vlákien: Modul je dôležitým ukazovateľom schopnosti materiálu odolávať elastickej deformácii a v tomto ohľade dobre funguje aj 1k uhlíková vlákna. Vysoký modul 1k uhlíkovej vlákniny je v prvom rade v dôsledku vysokej kvality samotnej uhlíkovej vlákna. Počas výrobného procesu sa prostredníctvom presnej kontroly procesu vytvára vysoko orientovaná grafitová mikrokryštalická štruktúra vo vnútri uhlíkových vlákien. Táto štruktúra poskytuje uhlíkové vlákno extrémne vysokú axiálnu tuhosť, čo umožňuje uhlíkovému vláknitke účinne odolávať deformácii, keď je vystavená stresu. Výskumné údaje ukazujú, že ťahový modul vysokokvalitných 1K uhlíkových vlákien má významnú výhodu oproti niektorým nízko kvalitným uhlíkovým vlákninou alebo inými tradičnými vláknovými materiálmi. U 1k uhlíkovej vlákniny Plain Weave, v dôsledku malého počtu monofilov a pravidelného usporiadania, môžu uhlíkové vlákna efektívne spolupracovať, keď sú vystavené vonkajším silám. Ak je materiál vystavený ťahovému alebo tlakovému napätiu, susedné uhlíkové vlákna sa môžu navzájom podporovať a zdieľať vonkajšiu silu spolu, čím účinne odolávajú deformácii a spôsobujú, že celá obyčajná väzba vykazuje vyššiu vlastnosť modulu. ​
Synergia kompozitnej materiálu: V kompozitnom materiálovom systéme synergia medzi 1k uhlíkovými vláknami Plain Weave a matricovým materiálom ďalej zlepšuje výkon modulu materiálu. Ako nepretržitá fáza môže matricový materiál rovnomerne prenášať vonkajšie sily na uhlíkové vlákno a zároveň obmedziť bočnú deformáciu uhlíkových vlákien. Ako posilňovacia fáza poskytuje 1k uhlíková vlákna, ktorá je rovinná väzba na zaťažení zaťaženia kompozitného materiálu s vysokými charakteristikami modulu. V kompozitoch polymérnej matrice 1K s uhlíkovými vláknami zosilnené kompozity matricami zosilnené racionálnym navrhovaním pomeru vlákniny k matrici a štruktúry rozhrania sa môže modul kompozitného materiálu výrazne vylepšiť, čo je omnoho vyšší ako modul materiálov čistých matíc a môže spĺňať potreby mnohých aplikačných scenárov s extrémne vysokými požiadavkami na materiál.