Koolstofvezel-weefsels Uitgelegd: Typen, Toepassingen en Voordelen

Als u zich ooit heeft afgevraagd waarom het ene stuk koolstofvezel er anders uitziet dan het andere, bent u niet de enige. Koolstofvezel komt in veel verschillende weefsels en elk dient een ander doel – en het is niet puur cosmetisch.

Koolstofvezels worden gemaakt van precursors zoals polyacrylonitril (PAN) en rayon. De precursor-vezels worden chemisch behandeld, verhitzt en gerekt, en vervolgens gecarboniseerd, om hoge-sterkte vezels te creëren. Deze vezels, of filamenten, worden vervolgens gebundeld in tows die geïdentificeerd worden door het aantal koolstof-filamenten dat ze bevatten. Veelvoorkomende tow-ratings zijn 3k, 6k, 12k en 15k. De "k" verwijst naar duizend, dus een 3k tow bestaat uit 3.000 koolstof-filamenten. Een standaard 3k tow is typisch 0,125" breed – dat is veel vezel in een kleine ruimte. Een 6k tow heeft 6.000 koolstof-filamenten, een 12k heeft 12.000 filamenten, enzovoort. Dit grote aantal hoge-sterkte vezels gebundeld samen is wat koolstofvezel zo'n sterk materiaal maakt.

Geweven Koolstofvezel

Koolstofvezel komt meestal in de vorm van een geweven stof, wat het makkelijker te verwerken maakt en additionele structurele sterkte kan geven afhankelijk van de toepassing. Hierdoor zijn er veel verschillende weefsels gebruikt voor koolstofvezelstof. De meest voorkomende zijn Plain, Twill en Harness Satin, en we gaan dieper in op elk.

Plain Weefsel

Een plain weefsel koolstofvezel-vel ziet er symmetrisch uit met een klein schaakbord-achtig uiterlijk. In dit weefsel worden de tows in een over/onder patroon geweven. De korte afstand tussen interlacing geeft het plain weefsel een hoog niveau van stabiliteit. Stofstabiliteit is de capaciteit van een stof om zijn weefselhoek en vezeloriëntatie te behouden. Vanwege dit hoge stabiliteitsniveau is plain niet goed geschikt voor legwerk met complexe contouren – het zal niet zo buigzaam zijn als enkele van de andere weefsels. Over het algemeen zijn plain weefsel stoffen geschikt voor platte vellen, buizen en 2D-kromming.

Een nadeel van dit weefselpatroon is de harde crimp (de hoek die de vezel maakt wanneer geweven, zie hieronder) in de tows door de korte afstand tussen interlacing. De harde crimp kan spanningsconcentraties creëren die het onderdeel over tijd kunnen verzwakken.

Twill Weefsel

Twill fungeert als brug tussen een plain weefsel en de satin weefsels die we zullen bespreken. Twill heeft goede buigbaarheid en kan complexe contouren vormen, en het behoudt zijn stofstabiliteit beter dan een harness satin weefsel, maar niet zo goed als plain weefsel. Als u een tow-streng in een twill weefsel volgt, passeert hij over een bepaald aantal tows en dan onder hetzelfde aantal tows. Het over/onder patroon creëert een diagonaal pijl-achtig uiterlijk, bekend als een "twill line". De langere afstand tussen tow-interlacing betekent minder crimps vergeleken met een plain weefsel en minder potentiële spanningsconcentraties.

2×2 Twill

4×4 Twill

2×2 Twill is waarschijnlijk het meest herkenbare koolstofvezel-weefsel in de industrie. Het wordt gebruikt in veel cosmetische en decoratieve toepassingen, maar heeft ook geweldige functionaliteit – het heeft zowel matige vormbaarheid als matige stabiliteit. Zoals de 2×2 naam impliceert, zal elke tow over 2 tows gaan en dan onder 2 tows. Op dezelfde manier zal 4×4 Twill over 4 tows gaan en dan onder 4 tows. Het heeft iets meer vormbaarheid dan 2×2 Twill, aangezien het weefsel niet zo strak is, maar zal ook minder stabiliteit hebben.

Harness Satin Weefsels

Het satin weefsel is duizenden jaren geleden ontworpen voor het maken van zijden stoffen met uitstekende drap-kwaliteiten, terwijl het ook glad en naadloos eruitziet. Voor composieten betekent deze drapbaarheid dat het gemakkelijk kan vormen en om complexe contouren heen kan wikkelen. Omdat het stof zo vormbaar is, heeft het, verwachtelijk, lage stabiliteit. Veelvoorkomende harness satin weefsels zijn 4 harness satin (4HS), 5-harness satin (5HS) en 8 harness satin (8HS). Naarmate u het nummer van het satin weefsel verhoogt, neemt vormbaarheid toe en stofstabiliteit af.

4HS

5HS

8HS

Het nummer in de Harness Satin namen geeft het totale aantal tows aan dat over en dan onder gegaan wordt. Voor 4HS gaat het over 3 tows en dan onder 1. Voor 5HS gaat het over 4 en dan onder 1, en 8HS gaat over 7 en onder 1.

Spread Tow vs. Standaard Tow

Spread tow materiaal kan een goed compromis zijn tussen het gebruik van uni-directioneel materiaal en standaard geweven materiaal. Naarmate een vezel-tow omhoog en omlaag weeft om een stof te creëren, wordt de sterkte verminderd door de crimp in de tow. Naarmate u het aantal filamenten in een standaard tow verhoogt, van 3k naar 6k bijvoorbeeld, wordt de tow groter (dikker) en de crimp-hoek harder. Een manier om dit te vermijden is de filamenten uit te spreiden in een bredere tow – dit heet een spread tow en er zijn een paar voordelen door dit te doen.

De spread tow biedt een kleinere crimp-hoek dan een standaard tow-weefsel en kan crossover-defecten verminderen door de gladheid te verhogen. Een lagere crimp-hoek resulteert in hogere sterkte. Spread tow materiaal is ook makkelijker te verwerken dan uni-directioneel materiaal en heeft nog steeds redelijk goede vezel-optrekking-preventie.

Spread Tow Plain Weefsel

Spread Tow Twill Weefsel

Uni-Directioneel

Zoals de naam impliceert, uni, betekent één – alle vezels zijn in dezelfde richting georiënteerd. Dit geeft uni-directioneel (UD) stof enkele hoge-sterkte voordelen. UD stof is niet geweven, er zijn geen interlacing vezels met crimping die de structuur kunnen verzwakken. In plaats daarvan zijn er continue vezels die de sterkte en stijfheid verhogen. Een ander voordeel is de mogelijkheid om de leg met betere controle aan te passen voor prestatiekarakteristieken. Een fietsframe is een goed voorbeeld van hoe UD stof gebruikt kan worden om de prestaties te tunen. Het frame moet stijf en rigide zijn in het onderste steungebied om de kracht van de fietser over te brengen naar de wielen, maar het frame heeft ook enige compliantie en flex nodig om de fietser niet te verkloppen. Met UD materiaal kunt u de precieze richting van de vezels kiezen om de sterkte te krijgen die u nodig hebt.

Een groot nadeel van UD is de verwerkbaarheid. UD valt uiteen tijdens het legproces omdat het geen interlacing vezels heeft om het samen te houden. Als de vezels onjuist geplaatst zijn, kan het bijna onmogelijk zijn ze allemaal weer correct te oriënteren. Het bewerken van onderdelen gemaakt met UD stof kan ook problemen veroorzaken. Als er vezel-optrekking is waar features gesneden zijn, kunnen die losse vezels zich helemaal door het onderdeel heen optrekken. Typisch, als UD materiaal gekozen wordt voor een leg, wordt een laag geweven materiaal gebruikt voor de eerste en laatste laag om te helpen met bewerkbaarheid en onderdeelduurzaamheid. Dit wordt gedaan voor hobby-drone-frames tot en met productie-raket-onderdelen.

Bronnen en Referentiesites: https://store.acpsales.com/products/3495/woven-fabric-style-guide