Како се композитни материјали попут полимера ојачаног угљеничним влакнима понашају као подлога за грејну плочу?

Полимери ојачани угљеничним влакнима (ЦФРП) нуде велики однос снаге-и-тежине и потенцијал за прилагођавање термичког ширења. Ови материјали се истражују као алтернативе металним грејним плочама у нишним применама као што је композитно очвршћавање у ваздухопловној индустрији. Композитна грејна плоча од угљеничних влакана има одређене јединствене предности, али такође има значајна ограничења у погледу температуре, електричног понашања и хемијске отпорности.

Шта је полимер ојачан карбонским влакнима?
ЦФРП је композитни материјал који се састоји од угљеничних влакана (обично 5-10 µм у пречнику) уграђених у полимерну матрицу. Матрица је најчешће епоксидна смола, иако се за апликације на високим температурама користе високотемпературни термореактивни материјали као што су бисмалеимид (БМИ) или полиимид. Влакна нуде механичку чврстоћу и крутост, а матрица преноси оптерећење између влакана и штити их од оштећења животне средине.

Полагање{0}}омогућава прецизну контролу правца угљеничних влакана. Једносмерни ламинати имају влакна у једном правцу. Вишесмерно полагање-(нпр.. 0 степен /90 степени или квази-изотропно) обезбеђује конзистентније карактеристике. Ова способност контроле оријентације влакана даје ЦФРП-у јасне термичке и механичке особине које се не виде у изотропним металима.

Предности ЦФРП-а као подлоге за грејне плоче
Ултра{0}}Лаган
Густина ЦФРП-а је око 1,5-1,6 г/цм3 што је једна шестина челика (7,9 г/цм3) и 60% алуминијума (2,7 г/цм3). Грејна плоча истих димензија има знатно мању тежину на ЦФРП подлози. Ово је важна предност када:

Покретне плоче (нпр. аутоматизоване пресе или системи за руковање) са смањеном инерцијом за брже убрзање и мању потрошњу енергије.

Опрема за грејање која је преносива или којом се рукује ручно.

Ваздушни и аутомобилски алати за монтажу где тежина има директан утицај на ефикасност горива или носивост.

Подесиви коефицијент термичке експанзије (ЦТЕ)
Посебна предност ЦФРП-а је могућност прилагођавања ЦТЕ-а радном комаду. ЦТЕ у-равни ЦФРП ламината се може конструисати тако да лежи у опсегу од око -1 до +5 × 10⁻⁶/ степен избором типа влакна (стандардни модул, средњи или високи-модул), оријентације влакана и редоследа слагања (негативне вредности, када је могуће топлотно слагање, неслагање). За поређење:

Алуминијум: ~23*10-6/ степен

Челик: ~12к10^-6 /Ц

Ако се композитна грејна плоча од угљеничних влакана користи за очвршћавање композитног радног комада од угљеничних влакана (нпр. омотач крила авијације или део тркачког аутомобила), термичко ширење плоче се може ускладити са оним дела. Ово смањује термичка напрезања, смањује савијање и повећава тачност димензија. Уобичајене металне плоче наилазе на неусклађеност коефицијента термичког ширења (ЦТЕ) између алата и радног предмета, што узрокује унутрашње напетости током циклуса загревања и хлађења.

Високо специфично пригушење и крутост
ЦФРП има веома висок однос крутости-према-тежини (специфични модул). ЦФРП грејна плоча сличне крутости може бити знатно тања и лакша од челичне или алуминијумске плоче. Штавише, ЦФРП има веће инхерентно пригушивање од метала, што би могло бити корисно у смањењу вибрација током прецизних процедура.

1 Ограничења и изазови ЦФРП грејних плоча
Ниска максимална температура рада
Континуирана радна температура је ограничена полимерном матрицом. Просечна максимална температура је:

Епоксидна матрица: 120 до 180 степени (у зависности од система смоле, циклуса очвршћавања и периода излагања).

Бисмалеимид (БМИ) матрица: 200-250 степени.

Полиимидна матрица: 250–300 степени (специјалне класе до 350 степени).

На температурама изнад ове, матрица омекшава, оксидира или се распада, што резултира губитком механичког интегритета и производњом испарљивих нуспроизвода{0}}. За многе индустријске операције грејања у опсегу од 200–400 степени ЦФРП није погодан. Једине одрживе алтернативе су металне плоче (челик, алуминијум).

Ниска топлотна проводљивост кроз{0}}дебљину
Сама угљенична влакна имају високу аксијалну топлотну проводљивост (до 200-500 В/м·К за влакна високог{4}}модула), док полимерна матрица има веома ниску проводљивост (≈0,2 В/м·К). У ЦФРП ламинату топлота мора да пређе вишеструке контакте{6}}матрице влакана. Резултујућа топлотна проводљивост-дебљине већине таквих ламината је генерално 0,5–2 В/м·К. Проводљивост у равни може бити већа (до 50-100 В/м·К са једносмерним влакнима), али топлота и даље мора да прође кроз дебљину да би стигла до радне површине.

У грејној плочи где се топлота одводи од уграђених грејача (или загрејаног флуида) кроз подлогу до радног предмета, ниска проводљивост{0}}дебљине изазива:

Велике температурне разлике кроз дебљину плоче.

Ниска дифузност, спор одговор на промене топлоте.

Вруће тачке око грејача и хладни региони на другим местима.

ЦФРП је лош топлотни проводник у поређењу са алуминијумом (≈ 167 В/м·К) или чак челиком (≈ 50 В/м·К). Ово намеће озбиљно ограничење на густину у ватима и уједначеност температуре која се може постићи осим ако се не користи компликован распоред грејача или металних уметака.

Питања електричне проводљивости и изолације
Угљена влакна проводе електричну енергију. У ЦФРП грејној плочи цела подлога може бити проводљива осим ако није обезбеђена довољна изолација. Ово изазива низ проблема:

Ризик од кратког{0}}кратког споја - Уграђени отпорни грејачи морају бити електрично заштићени од проводног ЦФРП-а. Ово захтева више изолационих слојева (нпр. фибергласа или полимерних филмова) који повећавају топлотну отпорност.

Електромагнетне сметње - Проводни ЦФРП може да изазове заштиту или сметње уграђених температурних сензора.

Захтеви за уземљење - ЦФРП плочу треба уземљити ако постоји могућност електричног контакта са деловима под напоном.

С друге стране, алуминијум и челик су такође проводљиви, али се редовно користе као равни за уземљење. Разлика је у томе што ЦФРП има анизотропну проводљивост, што је мање предвидљиво и захтева додатну пажњу у дизајну.

Ограничење хемијске компатибилности
Органски растварачи, киселине, базе и безброј индустријских хемикалија могу уништити полимерну матрицу. Епоксидне смоле бубре или се растварају у кетонима, растварачима хлора и ароматичним угљоводоницима. ЦФРП се може погоршати за грејну плочу која је изложена хемијским парама или периодичним изливањем. За заштиту површине могу се додати заштитни премази (флуорополимер или металне облоге), иако то повећава сложеност и смањује пренос топлоте.

Високи материјални и производни трошкови
ЦФРП грејне плоче су много скупље од металних. Препрег од сирових карбонских влакана (пред-импрегнирана смолом) кошта ред величине више од алуминијумског лима. Полагање{3}}, очвршћавање у аутоклаву или пећници и накнадна{4}} обрада су радно интензивни и захтевају специјализовану опрему. Једнократна или мала производња је прескупа. ЦФРП је и даље врхунски материјал чак иу великим количинама.

Поређење: Грејне плоче – ЦФРП наспрам алуминијума наспрам челика
Својство ЦФРП (квази-изотропна, епоксидна матрица) алуминијум (6061-Т6) челик (нискоугљенични) Густина (г/цм3) 1.5-1.6 2.70 7.85 Специфична крутост (ГПа / (г/цм3)) ~60-80 ~26 ~26
Топлотна проводљивост кроз{0}}дебљину (В/м·К) 0,5 – 2 ~167 ~50
Топлотна проводљивост у-равни (В/м·К) 20 – 50 (зависи од оријентације влакана) ~167 (изотропна) ~50 (изотропна)
Coefficient of thermal expansion (×10−6/°C) −1 to +5 (tailorable) ~23 ~12 Maximum continuous temperature 120–180°C (epoxy); 250–300°C (polyimide)~400 °C (derating >200 °C)>~500 степени
Електрично понашање Проводно (грејачи морају бити изоловани) Проводно (користи се као земља) Проводно
Хемијска отпорност Слаба до добра (зависна од матрице) Добра (осим за високе алкалије и хлориде). ​​Лоша до добра (кородира)
Однос трошкова материјала. Веома висок (10–20 × Ал) Низак (основни) Низак-до-умерен
Уобичајене употребе су алати за очвршћавање у ваздухопловству, лагане покретне плоче, прецизне композитне калупе Опште индустријске грејне плоче, пресе Високотемпературне плоче за тешке услове рада
Сценарији примене у којима се ЦФРП истиче
У специјализованим апликацијама високих перформанси, јединствени квалитети грејне плоче од композитних карбонских влакана оправдавају њена ограничења:

Очвршћавање композита у ваздухопловству - ЦФРП грејна плоча са скоро-нултим ЦТЕ-ом се користи да усклади део од угљеничних влакана који се очвршћава, смањујући топлотна напрезања и побољшавајући квалитет дела. Лагана плоча значајно смањује енергију потребну за загревање алата и оптерећења.

Преносни или роботски алати за грејање - За операције аутоматизације где загрејана плоча треба да се креће брзо, мала маса ЦФРП минимизира снагу потребну од актуатора и време циклуса.

Прецизно оптичко или електронско лепљење - Где је потребно минимизирати неусклађеност термичког ширења између плоче и радног комада (нпр. лепљење стаклених или керамичких компоненти са ниским ЦТЕ).

Рерне{0}} мале масе и вакуум пресе – У лабораторијској или прототипској опреми где би топлотна маса металне плоче успорила циклусе грејања и хлађења, плоча од ЦФРП-а пружа бржи одговор упркос нижој топлотној проводљивости, јер је за промену температуре потребно мање енергије (низак запремински топлотни капацитет).

Треба напоменути да мерило за већину примена индустријског грејања као што су ламинирање, термоформирање или опште топло пресовање и даље остају алуминијумске или челичне плоче због њихове супериорне топлотне проводљивости, ниже цене и могућности виших температура. ЦФРП је специјализован материјал за тешке или прилагођене критичне апликације за проширење.

Разматрање дизајна ЦФРП грејних плоча
Ако се одабере грејна плоча од ЦФРП-а, постоје бројне мере дизајна да се умање њена ограничења:

Уграђени метални грејни елементи: Користите фолијске или жичане грејаче везане за танак изолациони слој (нпр. фиберглас или полиимидни филм) пре ламинације ЦФРП-а.

Уградите слојеве бакра или алуминијума - Између грејног елемента и ЦФРП-а може се додати танак слој метала (бакарни распршивач топлоте) да би се обезбедила боља температурна конзистенција.

Користите смоле за високе температуре - За сервис изнад 180 степени размотрите БМИ или полиимидне матрице које су скупље и теже за производњу.

Заштитни површински премази - Нанесите премаз од флуорополимера, никла или керамике на радну површину да бисте побољшали хемијску отпорност и издржљивост на хабање.

4. Адекватна електрична изолација – Уверите се да су сви проводници под напоном изоловани од проводног ЦФРП-а поузданим диелектричним слојем са довољном отпорношћу на напон.

Закључак Јединствене предности за специфичне, ниске температуре, мале тежине
Полимерне грејне плоче ојачане карбонским влакнима пружају одличан лагани дизајн и могућност прилагођавања термичке експанзије радног предмета. Ови квалитети су изузетно пожељни у ваздухопловном композитном очвршћавању, прецизном везивању и преносивим алатима за грејање, где је смањење топлотног напрезања или смањење масе кључно.

Међутим, главна ограничења су ниска максимална радна температура (120-300 степени у зависности од смоле), лоша топлотна проводљивост кроз дебљину (0,5-2 В/мК), електрична проводљивост која захтева пажљиву изолацију, ограничена хемијска отпорност и скупа цена. За већину индустријских операција грејања, које раде на температурама већим од 200 степени, захтевају јак топлотни ток или укључују непријатељске хемикалије, метали (алуминијум, челик) или плоче обложене флуорополимером су и даље најбољи избор.

Напредни материјали се користе када њихови посебни квалитети оправдавају ограничења и трошкове. Композитна грејна плоча од угљеничних влакана је добар пример високо специјализованог решења за веома мали, али кључан скуп критеријума високих перформанси, мале тежине, термички усклађених алата за грејање.