탄소 섬유 직조물: 정의 및 사용 이유

탄소 섬유 한 조각이 다른 조각과 다르게 보이는 이유가 궁금하다면 혼자가 아닙니다. 탄소 섬유는 다양한 직조 방식으로 제공되며 각각 다른 용도로 사용되며 단순한 장식용이 아닙니다.

탄소 섬유는 폴리아크릴로니트릴(PAN) 및 레이온과 같은 전구체로 만들어집니다. 전구체 섬유는 화학적으로 처리되고 가열되고 연신된 다음 탄화되어 고강도 섬유를 만듭니다. 그런 다음 이러한 섬유 또는 필라멘트는 함께 묶어 토우를 형성하며, 이는 포함된 탄소 필라멘트의 수로 식별됩니다. 일반적인 견인 등급은 3k, 6k, 12k 및 15k입니다. "k"는 천을 의미하므로 3k 토우는 3,000 탄소 필라멘트로 만들어집니다. 표준 3k 토우는 일반적으로 폭이 0.125"이므로 작은 공간에 많은 섬유를 담을 수 있습니다. 6k 토우는 6000 탄소 필라멘트, 12k 토우는 12,{{16 }} 탄소 필라멘트, 등등 함께 묶인 많은 고강도 섬유는 탄소 섬유를 그렇게 강한 재료로 만드는 것입니다.

짠 탄소 섬유
탄소 섬유는 일반적으로 직물 형태로 제공되어 작업하기가 더 쉽고 용도에 따라 추가적인 구조적 강도를 제공할 수 있습니다. 결과적으로 탄소 섬유 직물은 다양한 직조 방식으로 제공됩니다. 가장 일반적인 것은 단색, 능직물 및 리본 새틴이며 각각에 대해 자세히 살펴보겠습니다.

평직
평직 탄소 섬유 패널은 작은 바둑판 모양으로 대칭으로 보입니다. 이 직조에서 토우는 오버/언더 패턴으로 직조됩니다. 직조 사이의 짧은 간격은 평직에 높은 수준의 안정성을 제공합니다. 직물 안정성은 직조 각도와 섬유 배향을 유지하는 직물의 능력입니다. 이러한 높은 수준의 안정성으로 인해 평직은 복잡한 윤곽 레이업에 덜 적합하며 다른 직조만큼 유연하지 않습니다. 일반적으로 평직은 평평한 시트, 파이프 및 2차원 곡선에 적합합니다.

이 직조 패턴의 한 가지 단점은 직조 사이의 짧은 거리로 인해 토우에서 거친 크림프(직조할 때 섬유가 만드는 각도, 아래 참조)입니다. 거친 크림프는 시간이 지남에 따라 부품을 약화시킬 수 있는 응력 집중을 생성합니다.

능직
트윌은 다음에 논의할 평직과 새틴 직조 사이의 다리 역할을 합니다. 능직은 복잡한 윤곽을 형성할 수 있을 만큼 유연하고 안장 새틴 직조보다 패브릭 안정성을 유지하는 데 더 좋지만 평직만큼 좋지는 않습니다. 능직으로 된 견인을 따라가면 특정 수의 견인을 통과한 다음 같은 수의 견인을 통과합니다. 위/아래 패턴은 "대각선"으로 알려진 대각선 화살표 모양을 만듭니다. 토우 짜임 사이의 거리가 길다는 것은 평직에 비해 권축이 적고 잠재적 응력 집중이 적다는 것을 의미합니다.

2×2 능직물

4×4 능직물
2×2 Twill은 아마도 업계에서 가장 잘 알려진 탄소 섬유 직물일 것입니다. 많은 화장품 및 장식 응용 분야에 사용되지만 기능성도 높으며 중간 정도의 성형성과 중간 정도의 안정성을 모두 가지고 있습니다. 2×2의 이름에서 알 수 있듯이 각 견인은 2개의 견인을 통과한 다음 2개의 견인을 통과합니다. 마찬가지로 4×4 능직물은 4번의 토우를 통과한 다음 4개의 토우를 거칩니다. 직조가 빡빡하지 않기 때문에 2×2 트윌보다 약간 더 성형하기 쉽지만 덜 안정적입니다.

하네스 새틴 위브
새틴 직조는 매끄럽고 매끄럽게 보이면서 드레이프가 뛰어난 실크 직물을 만들기 위해 수천년 전에 고안되었습니다. 복합 재료의 경우 이러한 드레이프성은 복잡한 윤곽을 쉽게 형성하고 감쌀 수 있음을 의미합니다. 이 직물의 높은 성형성으로 인해 안정성이 낮을 것으로 예상됩니다. 일반적인 직물은 4면(4HS), 5면(5HS) 및 8면(8HS)입니다. 주자직의 수가 증가할수록 성형성은 증가하지만 직물의 안정성은 감소한다.

4시간

5HS

8HS

Harness Satin 이름의 숫자는 통과된 견인의 총 수를 나타냅니다. 4HS의 경우 3회 토우를 초과한 다음 1회 미만 토우가 됩니다. 5HS의 경우 4회 견인 후 1회 미만이며 8HS의 경우 7회 초과 후 1회 미만입니다.

확산 견인 대 표준 견인
스프레드 토우 재료는 단방향 재료와 표준 직조 재료를 사용하는 것 사이에서 좋은 절충안이 될 수 있습니다. 섬유 토우를 위아래로 직조하여 직물을 형성할 때 토우의 주름으로 인해 강도가 감소합니다. 표준 토우의 필라멘트 수를 3k에서 6k로 늘리면 토우가 더 커지고(두꺼워지고) 크림프 각도가 더 날카로워집니다. 이를 피하는 한 가지 방법은 필라멘트를 스프레드 토우(spread tows)라고 하는 더 넓은 토우로 펼치는 것인데, 여기에는 여러 가지 이점이 있습니다.

스프레드 토우는 표준 토우 브레이드보다 더 작은 크림프 각도를 제공하며 매끄러움을 증가시켜 교차 결함을 줄일 수 있습니다. 압착 각도가 낮을수록 강도가 높아집니다. 펼쳐진 토우 재료는 단방향 재료보다 작업하기 쉽고 여전히 상당히 우수한 섬유 풀업 방지 기능을 가지고 있습니다.

스프레드 일반 견인

스프레드 토우 능직
단방향
uni는 이름에서 알 수 있듯이 하나를 의미하며 모든 섬유가 같은 방향을 향합니다. 이는 단방향(UD) 직물에 일부 고강도 이점을 제공합니다. UD 패브릭은 짜여지지 않았으며 구조를 약화시키는 주름진 짜임 섬유가 없습니다. 대신 강도와 강성을 추가하는 연속 섬유가 있습니다. 또 다른 이점은 성능 특성을 보다 잘 제어하여 스택업을 사용자 정의할 수 있다는 것입니다. 자전거 프레임은 UD 패브릭을 사용하여 성능을 조정할 수 있는 좋은 예입니다. 프레임은 라이더의 힘을 바퀴에 전달하기 위해 바텀 브래킷 영역에서 단단해야 하지만 라이더를 압도하지 않도록 유연하고 유연해야 합니다. UD 재료를 사용하면 섬유의 정확한 방향을 선택하여 원하는 강도를 얻을 수 있습니다.

UD의 주요 단점은 기동성입니다. UD는 서로 얽혀 있는 섬유가 없기 때문에 레이업 중에 쉽게 떨어져 나갑니다. 섬유를 잘못 배치하면 다시 올바르게 방향을 바꾸는 것이 거의 불가능합니다. UD 패브릭으로 만든 가공 부품도 문제를 일으킬 수 있습니다. 피쳐가 절단된 곳에서 섬유가 위로 당겨지면 느슨한 섬유가 부품을 통해 끝까지 당겨집니다. 일반적으로 레이업에 UD 재료를 선택한 경우 가공성과 부품 내구성을 개선하기 위해 첫 번째 레이어와 마지막 레이어에 직물 레이어가 사용됩니다. 이것이 취미용 드론 프레임이 로켓 부품 생산에 이르는 모든 과정에서 하는 일입니다.