Koolstofvezelweefsels uitgelegd:soorten, toepassingen en voordelen

Als je je ooit hebt afgevraagd waarom het ene stuk koolstofvezel er anders uit kan zien dan een ander stuk koolstofvezel, ben je niet de enige. Koolstofvezel is verkrijgbaar in veel verschillende weefsels en elk heeft een ander doel, en het is niet alleen cosmetisch.

Koolstofvezels worden gemaakt van voorlopers zoals polyacrylonitril (PAN) en rayon. De precursorvezels worden chemisch behandeld, verwarmd en uitgerekt en vervolgens gecarboniseerd om zeer sterke vezels te creëren. Deze vezels of filamenten worden vervolgens samengebundeld in strengen die worden geïdentificeerd aan de hand van het aantal koolstoffilamenten dat ze bevatten. De gebruikelijke treksterktes zijn 3k, 6k, 12k en 15k. De “k” verwijst naar duizend, dus een kabel van 3k bestaat uit 3.000 koolstoffilamenten. Een standaard 3k-touw is doorgaans 0,125" breed, dus dat zijn veel vezels verpakt in een kleine ruimte. Een 6k-touw heeft 6.000 koolstoffilamenten, een 12k-touw heeft 12.000 filamenten, enzovoort. Dit grote aantal samengebundelde zeer sterke vezels maakt koolstofvezel zo'n sterk materiaal.

Geweven koolstofvezel

Koolstofvezel heeft doorgaans de vorm van een geweven stof, waardoor het gemakkelijker is om mee te werken en afhankelijk van de toepassing extra structurele sterkte kan geven. Hierdoor worden er veel verschillende weefsels gebruikt voor koolstofvezelweefsel. De meest voorkomende zijn effen, keperstof en harnassatijn, en we zullen op elk ervan dieper ingaan.

Plain geweven

Een platgeweven koolstofvezelplaat ziet er symmetrisch uit met een klein schaakbordachtig uiterlijk. Bij deze weving worden de koorden geweven in een over/onder-patroon. De korte ruimte tussen de vervlechtingen geeft het platbinding een hoge mate van stabiliteit. Stabiliteit van weefsels is het vermogen van een weefsel om zijn weefhoek en vezeloriëntatie te behouden.  Vanwege dit hoge niveau van stabiliteit is effen niet zo geschikt voor lay-ups met complexe contouren; het zal niet zo buigzaam zijn als sommige andere weefsels. Over het algemeen zijn platgeweven stoffen geschikt voor vlakke platen, buizen en 2D-rondingen.

Een nadeel van dit weefpatroon is de harde plooiing (de hoek die de vezel maakt bij het geweven, zie hieronder) in de draden vanwege de korte afstand tussen de verstrengelingen. De harde krimp kan spanningsconcentraties veroorzaken die het onderdeel na verloop van tijd kunnen verzwakken.

keperbinding

Twill dient als brug tussen platbinding en de satijnbinding die we hierna zullen bespreken. Twill is goed buigzaam en kan complexe contouren aannemen, en het is beter in het behouden van de stabiliteit van de stof dan een harnassatijnbinding, maar niet zo goed als platbinding. Als je een draad in een keperbinding volgt, gaat deze over een bepaald aantal draden en vervolgens onder hetzelfde aantal draden. Het boven/onder-patroon creëert een diagonale pijlpuntlook, ook wel een “twill-lijn” genoemd. De langere afstand tussen de strengen betekent minder plooien vergeleken met een platbinding en minder potentiële spanningsconcentraties.

2×2 keperstof

4×4 keperstof

2×2 Twill is waarschijnlijk het meest herkenbare koolstofvezelweefsel in de branche. Het wordt gebruikt in veel cosmetische en decoratieve toepassingen, maar heeft ook een grote functionaliteit, het heeft zowel een matige vervormbaarheid als een matige stabiliteit. Zoals de naam 2×2 aangeeft, gaat elke trek over twee trekjes en vervolgens onder twee trekjes. Op dezelfde manier zal 4×4 Twill over 4 slepen gaan en vervolgens onder 4 slepen. Het heeft iets meer vervormbaarheid dan 2×2 Twill, omdat het weefsel niet zo strak is, maar het zal ook minder stabiliteit hebben.

Harnas satijnweefsels

Het satijnweefsel werd duizenden jaren geleden ontworpen voor het maken van zijden stoffen met uitstekende drapeereigenschappen, terwijl ze er ook glad en naadloos uitzien. Voor composieten betekent deze drapeerbaarheid dat het gemakkelijk complexe contouren kan vormen en omwikkelen. Omdat de stof zo vormbaar is, heeft deze, naar verwachting, een lage stabiliteit. Veel voorkomende harnassatijnen weefsels zijn 4 harnassatijn (4HS), 5 harnassatijn (5HS) en 8 harnassatijn (8HS). Naarmate u het aantal satijnbindingen verhoogt, neemt de vervormbaarheid toe en neemt de stabiliteit van de stof af.

4HS

5HS

8HS

Het getal in de Harness Satin-namen geeft het totale aantal slepen aan dat er overheen en eronder is gepasseerd. Voor 4HS gaat het over 3 trekjes en dan onder 1. Voor 5HS gaat het over 4 en dan onder 1, en 8HS gaat over 7 en dan onder 1.

Verspreid sleeptouw versus standaard sleeptouw

Gespreid touwmateriaal kan een goed compromis zijn tussen het gebruik van unidirectioneel materiaal en standaard geweven materiaal. Terwijl een vezelkabel op en neer weeft om een stof te creëren, wordt de sterkte verminderd als gevolg van de plooiing in de kabel. Naarmate u het aantal filamenten in een standaardkabel verhoogt, van bijvoorbeeld 3k naar 6k, wordt de kabel groter (dikker) en wordt de krimphoek groter. Eén manier om dit te voorkomen is door de filamenten in een bredere kabel te spreiden. Dit wordt een gespreide kabel genoemd en hierdoor worden een aantal voordelen behaald.

De gespreide kabel biedt een kleinere krimphoek dan een standaard kabelweefsel en kan de crossover-defecten verminderen door de gladheid te vergroten. Een lagere krimphoek resulteert in een hogere sterkte. Gespreid kabelmateriaal is ook gemakkelijker om mee te werken dan unidirectioneel materiaal en heeft nog steeds een redelijk goede preventie van het optrekken van vezels.

Spread Tow Plain Weave

Spread Tow Twill Weave

Eenzijdig

Zoals de naam al aangeeft, uni, wat één betekent, zijn alle vezels in dezelfde richting georiënteerd. Dit geeft unidirectionele (UD)-stof enkele voordelen van hoge sterkte. UD-stof is niet geweven, er zijn geen verweven vezels met plooien die de structuur kunnen verzwakken. Er zijn eerder doorlopende vezels die de sterkte en stijfheid vergroten. Een ander voordeel is de mogelijkheid om de lay-out aan te passen met betere controle op prestatiekenmerken. Een fietsframe is een goed voorbeeld van hoe UD-stof kan worden gebruikt om de prestaties af te stemmen. Het frame moet stijf en stijf zijn in het trapasgebied om de kracht van de berijder op de wielen over te brengen, maar het frame moet ook enige flexibiliteit en flexibiliteit hebben om de berijder niet in elkaar te slaan. Met UD-materiaal kun je de precieze richting van de vezels kiezen om de sterkte te krijgen die je nodig hebt.

Een groot nadeel van UD is echter de werkbaarheid ervan. UD heeft de neiging vrij gemakkelijk uit elkaar te vallen tijdens het lay-upproces, omdat het geen verweven vezels heeft die het bij elkaar houden. Als de vezels verkeerd worden geplaatst, kan het bijna onmogelijk zijn om ze allemaal weer correct te heroriënteren. Ook het bewerken van onderdelen gemaakt met UD-weefsel kan problemen veroorzaken. Als er vezels omhoog trekken op de plek waar de kenmerken zijn doorgesneden, kunnen die losse vezels helemaal over het onderdeel omhoog worden getrokken. Als UD-materiaal wordt gekozen voor een lay-up, wordt doorgaans een laag geweven materiaal gebruikt voor de eerste en laatste laag om de bewerkbaarheid en duurzaamheid van het onderdeel te bevorderen. Dit is wat wordt gedaan voor droneframes voor hobbyisten tot aan de productie van raketonderdelen. Als je dit bericht leuk vond of als je nog vragen hebt, kun je hieronder een reactie achterlaten.   Bronnen en referentiesites:https://store.acpsales.com/products/3495/woven-fabric-style-guide