A-13 Матеріал із підвищеною міцністю (армований препрег)

Закріплене вуглецеве волокно: рішення для високоміцних композитних матеріалів у сценаріях динамічного навантаження

У галузях, таких як вітрова енергетика, транспорт на альтернативних джерелах енергії та високотехнологічне обладнання, що піддається тривалим динамічним навантаженням, міцність і витривалість матеріалів безпосередньо визначають термін служби компонентів. Цей модифікований препрег з вуглецевого волокна використовує спеціальний модифікований смолистий склад як основну зв'язувальну систему, охоплюючи дві найпоширеніші форми — препрег з однонаправленого вуглецевого волокна та препрег з тканини з вуглецевого волокна. Завдяки ефективному проникненню та зчепленню смоли й волокна після затвердіння матеріал має не лише відмінні механічні властивості, а й виняткову стійкість до вологих та теплових умов, забезпечуючи стабільну роботу в умовах динамічних навантажень, зокрема при тривалому вібраційному та ударному впливі. Пропонує варіант матеріалу, який поєднує міцність і в’язкість, для лопатей вітрових турбін, компонентів шасі автомобілів та високотехнологічних конструкційних механічних деталей, подолавши обмеження традиційних препрегів з вуглецевого волокна, що характеризуються високою жорсткістю та низькою в’язкістю.

Ключова перевага: Багатовимірна гарантія прориву в стійкості, стабільних експлуатаційних характеристиках і адаптації до умов використання

1. Завдяки спеціалізованій затверджувальній смолі значно підвищується ударна міцність матеріалу та стійкість до втоми

Затверджена смола є ключовою технологічною особливістю цього препрегу. На відміну від традиційних звичайних смол, вона має композитну формулу «епоксидна смола + твердіннявий агент із ядро-оболонковою структурою + модифікатор гнучких ланцюгів» і оптимізує міцність смоли за рахунок проектування на молекулярному рівні: твердіннявий агент із ядро-оболонковою структурою може утворювати дрібні пружні частинки після затвердіння смоли. Коли матеріал піддається удару, ці частинки можуть поглинати енергію удару й запобігати швидкому поширенню тріщин; модифікатори гнучких ланцюгів можуть підвищувати гнучкість молекулярних ланцюгів смоли й зменшувати накопичення напружень у матеріалах під тривалими динамічними навантаженнями.

Згідно з авторитетними випробуваннями, показник міцності цього модифікованого препрегу з вуглецевого волокна досяг значних проривів: композитний матеріал із односпрямованого препрегу з вуглецевого волокна має підвищену ударну в’язкість більш ніж на 60% порівняно зі звичайним препрегом з вуглецевого волокна та збільшення подовження при розриві на 45%; стійкість до зсуву препрегу з тканини з вуглецевого волокна покращена на 55%. Після 1 мільйона циклів випробувань на динамічне навантаження коефіцієнт збереження механічних властивостей все ще перевищує 90%, що значно вище за середній рівень 75% для звичайного препрегу. Наприклад, у разі лопатей вітрових турбін після використання цього модифікованого препрегу термін експлуатації лопатей у умовах сильного вітрового вібраційного навантаження збільшується понад 20 років, що на 30% більше, ніж із традиційними матеріалами, і значно зменшує витрати на обслуговування обладнання вітрової енергетики. У той же час густину продукту строго контролюють на рівні не менше 5%, забезпечуючи рівномірний розподіл волокон і смоли та уникнення слабких місць із недостатньою міцністю.

2. Подвійне покриття продукту, адаптоване до вимог навантаження в різних сценаріях динамічного навантаження

Сімейство продуктів включає препреги з односпрямованим вуглецевим волокном і тканини з вуглецевого волокна, які можна гнучко вибирати залежно від характеристик навантаження та типів динамічного навантаження різних компонентів, забезпечуючи перевагу у продуктивності за принципом "відповідності за вимогою".

• Односпрямований преґрегат з вуглепластику: Використовується високопрямий односпрямований розподіл вуглецевого волокна з узгодженістю напрямку волокон понад 99,5%, що забезпечує виняткові показники в сценаріях осьового динамічного навантаження. Підходить для компонентів, які здатні витримувати тривалі розтягування та вигинні вібрації, наприклад, головна балка лопатей вітрових турбін, поздовжні балки шасі електромобілів, валки високоточних верстатів. Має відмінні характеристики опору втомному руйнуванню: може працювати безперервно протягом 5000 годин без істотного погіршення характеристик у середовищі високочастотних вібрацій з частотою 10 Гц, відповідає вимогам до структурної стабільності за динамічних навантажень.
• Препрег із тканини з вуглецевого волокна: На основі полотен і саржевих тканин він має відмінні плоскі ізотропні властивості та підвищену стійкість до багатонапрямкового удару та зсувних вібрацій. Підходить для компонентів складної форми, що піддаються неоднорідним динамічним навантаженням, наприклад, балки зіткнення для акумуляторних блоків у нових енергетичних транспортних засобах, з’єднувальні вузли для високоякісного обладнання та кореневі частини лопатей вітрових турбін. Структура тканини покращує розподіл напружень у препрегу. Коли відбувається локальний удар, енергія швидко передається по всій поверхні тканини, запобігаючи локальному руйнуванню та підвищуючи стійкість компонента до виходу з ладу.

Можна використовувати два види препрегів у поєднанні, наприклад, лопаті вітрових турбін можуть мати конструкцію «однонапрямковий препрег (головна балка, протиосьова вібрація) + тканий препрег (корінь лопаті, стійкість до зсувного удару)», що враховує вимоги до динамічних навантажень різних частин і максимально використовує властивості матеріалу

3. Відмінна волога та гаряча стійкість, підходить для складних умов експлуатації

Динамічні сценарії навантаження часто супроводжуються складними умовами, такими як вологе тепло та періодичні високі й низькі температури. Традиційний препрег із вуглецевого волокна схильний до руйнування міжфазної поверхні через поглинання смолою вологи, а також через теплове розширення та стискання, що в свою чергу впливає на в’язкість і механічні властивості. Цей модифікований препрег із вуглецевого волокна має виняткову стійкість до вологого тепла завдяки оптимізації формули смоли та покращенню процесу проникнення: гідрофобні компоненти, додані до модифікованої смоли, зменшують швидкість поглинання вологи. Після витримування у вологому гарячому середовищі при 85 °C та 85% відносній вологості протягом 1000 годин рівень поглинання вологи все ще залишається меншим за 1,5%, що значно нижче за середній показник галузі у 3% для звичайних препрегів; водночас міцність зчеплення на межі поділу смоли та вуглецевого волокна збільшена на 25%, що ефективно запобігає розшаруванню міжфазної поверхні, спричиненому змінами температури.

У практичному застосуванні ця експлуатаційна перевага є особливо важливою: при використанні у конструкціях шасі транспортних засобів на нових джерелах енергії матеріал здатен витримувати екстремальні температурні цикли від -40 °C до 120 °C і зберігати стабільність та міцність навіть у дощових, сніжних та вологих умовах; при використанні для лопатей океанських вітрових турбін він може протистояти ерозії в умовах високого сольового розпилу та високої вологості, запобігаючи зниженню міцності лопатей через старіння під впливом вологого тепла. Після тестування встановлено, що термін динамічного витривалості продукту в гарячому та вологому середовищі збільшено на 40% порівняно зі звичайним препрегом, що забезпечує надійність роботи компонентів протягом усього життєвого циклу.

4. Стійка технологічна адаптивність для задоволення потреб масового виробництва

Незважаючи на значні переваги у продуктивності, цей високоміцний препрег із вуглецевого волокна зберігає високу сумісність із технологічними процесами та підходить для поширених методів виробництва композитних матеріалів, таких як гаряче пресування, компресійне формування та формування у вакуумному мішку. Він не потребує додаткової модифікації обладнання підприємствами й знижує бар'єри виробництва.

• Формування гарячим пресуванням: Придатне для виготовлення високоякісних деталей із надзвичайно високими вимогами до точності та експлуатаційних характеристик (наприклад, аерокосмічних компонентів), контрольоване за рахунок рівномірного тиску (0,8~1,5 МПа) та температури (120~150 ℃). Зміцнюючий смолистий матеріал повністю проникає в волокна, а рівень однорідності міцності готових виробів досягає понад 98%, без локальних відмінностей у характеристиках.
• Пресування: підходить для сценаріїв масового виробництва, таких як електромобілі та вітрова енергетика, має високу ефективність формування, час виробництва однієї партії може контролюватися в межах 40–60 хвилин, а процес стиснення дозволяє точно керувати розмірами компонентів, зменшити наступні операції обробки та знизити витрати на виробництво.
• Формування у вакуумному мішку: Підходить для великих компонентів (наприклад, лопатей вітрових турбін довжиною понад 15 метрів), подача смоли та відведення повітря забезпечуються за рахунок вакуумного розрідження, що знижує витрати на формування на 35% порівняно з технологією гарячого прес-бака, одночасно забезпечуючи повну реалізацію властивостей модифікованої смоли.

Крім того, продукт має відмінну стабільність при зберіганні і може зберігатися понад 6 місяців у низькотемпературному середовищі -18 ℃. Після виймання його можна вводити виробництво без необхідності тривалого підігріву, що скорочує час очікування виробництва та адаптується до темпу промислового партіоного виробництва.

5. Диференційований дизайн, створення бар'єрів конкурентоспроможності на ринку

З одного боку, диференційовано проводиться інновація у формуванні смоли, виборі волокон та процесі підвищення міцності — наприклад, самостійно розроблений модифікатор ядро-оболонка може досягти точного балансу між міцністю та жорсткістю, усуваючи галузеву проблему «підвищення міцності призводить до зниження жорсткості», завдяки чому продукт зберігає осьову міцність на розтяг понад 1750 МПа при поліпшенні міцності;

З іншого боку, ми пропонуємо гнучкі індивідуальні послуги, які дозволяють регулювати рівень підвищення міцності (від «помірного загартування» до «високого загартування» залежно від потреб замовника), поверхневу щільність волокна (100~800 г/м² повне покриття) та вміст смоли (35%~50%, регульований) для задоволення індивідуальних потреб у різних сценаріях динамічного навантаження. Наприклад, відповідаючи на попит на балки проти зіткнення у транспортних засобах на нових енергетичних технологіях, може бути створено односторонній препрег з високоміцного вуглецевого волокна з «високою витривалістю до ударних навантажень»; у відповідь на попит на лопаті вітрових турбін може бути створено препрег з тканини з вуглецевого волокна з «підвищеною стійкістю до вологи та тепла», щоб уникнути ринкового тиску через однорідну конкуренцію.