1.Aplikácia kompozitných materiálov z uhlíkových vlákien v oblasti športu a voľného času a hlavné výrobné procesy
Aplikácia uhlíkových vlákien v športových produktoch vznikla v 70. rokoch minulého storočia. Všetci sa vtedy orientovali na letecký a vojenský priemysel. Koniec koncov, takéto špičkové pole, najmä americko-sovietske vesmírne preteky, satelity, kozmické lode a programy pristátia na Mesiaci v tom období, priťahovali pozornosť sveta.
Kompozitné materiály z uhlíkových vlákien už dlhú dobu úspešne prenikajú do rôznych oblastí športového tovaru a športový tovar je tiež priemyselným sektorom pre aplikáciu a vývoj uhlíkových vlákien po letectve.
Kompozitné materiály z uhlíkových vlákien sa stali materiálom voľby v priemysle športových potrieb vďaka svojej nízkej hmotnosti, vysokej pevnosti a vynikajúcej odolnosti proti únave. Inšpiráciou pre trh s uhlíkovými vláknami so športovým tovarom je Jim Flood v Spojených štátoch, ktorý je známy ako Edison golfu. V roku 1972 Jim Flood zistil, že použitie palíc z uhlíkových vlákien môže zasiahnuť golfové loptičky o 30 yardov ďalej ako žehličky. Následne sa uhlíkové vlákna presadzovali v iných športoch ako náhrada kovových materiálov, ako je bedminton, tenis, bejzbal, skateboarding, lyžovanie, cyklistika, veslovanie, lukostreľba a iné športy, ako aj voľnočasové športy, ako je rybolov.
2. Výhody kompozitných materiálov z uhlíkových vlákien v športovom vybavení
S pokrokom spoločnosti sa neustále zlepšuje životný štýl ľudí. Šport prenikol do života každého z nás. Stredobodom pozornosti ľudí sú aj zdravé a vedecké tréningové metódy. Požiadavky na športové vybavenie sú stále vyššie a vyššie. Rozširuje sa aj trh s novým športovým vybavením a stále vyššie sú aj požiadavky na materiály športového vybavenia. Výhody uhlíkových vlákien v hmotnosti a pevnosti z neho robia preferovaný materiál pre nové športové vybavenie. V dôsledku toho sa uhlíkové vlákna čoraz častejšie používajú v oblasti športového vybavenia. Aké sú výhody uhlíkových vlákien v športovom vybavení:
(1) Nízka hmotnosť
Okrem špeciálnych športov, ktoré si vyžadujú hmotnosť, keď ľudia používajú na cvičenie športové vybavenie, čím ľahšie športové vybavenie, tým lepšie. Nízka hmotnosť môže umožniť cvičencom podávať lepšie výkony, ako sú tenisové rakety, palice, bicykle, lyže atď. Dokonca aj niektoré zariadenia, ktoré sa pri pohybe spoliehajú na inú energiu ako ľudskú, ako sú pretekárske autá a plachetnice, tiež vyžadujú nízku hmotnosť. čo môže znížiť požiadavky na energiu a ušetriť palivo. Uhlíkové vlákno má v tomto smere nenahraditeľné výhody.
(2) Dobré mechanické vlastnosti
Špecifickú pevnosť a špecifický modul materiálov z uhlíkových vlákien nemožno prekonať inými materiálmi. Jeho unikátne mechanické vlastnosti presne zodpovedajú potrebám športového vybavenia a sú výbornou voľbou pre športové vybavenie. Kompozity z uhlíkových vlákien sú hlavne vytvrdzované a tvarované živicou, čo môže hrať väčšiu úlohu v dizajne spracovania.
(3) Bezpečnosť, hygiena a ochrana životného prostredia
Kompozitné materiály z uhlíkových vlákien majú nielen množstvo výhod, ale sú aj ekologickým materiálom so zaručenou hygienou a bezpečnosťou. Sú to nové materiály so špeciálnymi vlastnosťami. Okrem dobrých mechanických vlastností, pevnej plasticity a vysokej bezpečnosti sú tiež recyklovateľnými zdrojmi. Sú vysoko ekologické a ľahko sa recyklujú, pričom znižujú náklady a šetria zdroje. Tieto vlastnosti sa stanú výhodami kompozitných materiálov z uhlíkových vlákien pri rozšírenom používaní športového vybavenia.
(4) Vysoká plasticita
Plasticita je jednou zo základných podmienok výroby športového vybavenia. Plasty a kompozitné materiály z uhlíkových vlákien majú určitý stupeň plasticity. Plasty a ich zliatiny je možné spracovávať a tvarovať mnohými spôsobmi (vyfukovanie, vstrekovanie, extrúzia, tepelné tvarovanie atď.) a následne aplikovať na športové vybavenie. V porovnaní s inými bežnými materiálmi majú lepšiu plasticitu. S rozvojom športového priemyslu mojej krajiny môžu byť materiály aplikované na oblasť športového vybavenia spracované viacerými spôsobmi na zlepšenie výkonu športového vybavenia.
(5) Dobrá odolnosť proti starnutiu
V skutočných aplikáciách je športové vybavenie väčšinou vonku a je ľahko ovplyvnené prírodným prostredím, ako je slnečné svetlo a búrky. Zároveň ho môžu poškodiť aj látky ako kyslík, ozón a kyslé plyny v atmosfére. Okrem toho zmeny teploty spôsobia starnutie, praskliny, farebné zmeny atď. Preto športové vybavenie potrebuje mať dobrú odolnosť proti korózii a starnutiu, keď sa používa, najmä v prostredí pod holým nebom. Požiadavky sú v tomto smere prísnejšie. Ak je odolnosť proti starnutiu nízka, vážne to ovplyvní životnosť zariadenia.
3. Aplikácia kompozitných materiálov z uhlíkových vlákien v produktoch pre šport a voľný čas
Aplikácia športových produktov z uhlíkových vlákien sa dá rozdeliť do dvoch hlavných smerov. Jedným sú súťažné športy, ktoré kladú dôraz hlavne na vysokú presnosť, vyššiu a rýchlejšiu. Druhou je každodenná kondícia a voľný čas, čo si vyžaduje vhodný pomer nákladov a výkonu. V súčasnosti sú produkty s najväčšou spotrebou uhlíkových vlákien v oblasti športových produktov:
(1) Bicykle
Oceľ je materiál s najdlhšou životnosťou pre bicykle. Má dobrú elasticitu a nízku cenu, ale vďaka vysokej hustote ľahko hrdzavie a unavuje. Zliatina hliníka je bežne používaný materiál na trhu. Je ľahký a nehrdzavie, ale jeho elasticita je príliš slabá, ľahko sa unaví a jazdný komfort nie je dobrý. Hustota horčíkovej zliatiny je menšia ako hustota hliníkovej zliatiny a jej základný výkon je podobný ako pri hliníkovej zliatine. Odolnosť proti únave zliatiny titánu je lepšia ako u iných kovových materiálov, ale cena je vysoká a špecifická hmotnosť nie je výhodná. Kompozitné materiály z uhlíkových vlákien majú vysokú pevnosť, dobrú elasticitu, hustotu svetla a odolnosť proti korózii. Bicykle vyrobené z kompozitných materiálov z uhlíkových vlákien majú tieto vlastnosti:
a. Efektívne znížte celkovú hmotnosť bicykla
Hustota kompozitných materiálov na báze uhlíkových vlákien je vo všeobecnosti iba 1,6. Je to len jedna pätina ocele a môže znížiť hmotnosť o približne 40% v porovnaní s hliníkom. V cyklistickom priemysle sa hovorí, že ak sa hmotnosť zníži o 1 g, cena sa môže zvýšiť o 1 dolár. Rám bicykla z uhlíkových vlákien je o štvrtinu ľahší ako rám z hliníkovej zliatiny. Nízka hmotnosť môže znížiť stratu fyzickej energie a tým zvýšiť rýchlosť jazdy.
b. Vysoká celková tuhosť karosérie
Rám s dobrou tuhosťou prispieva k premene hnacej sily a zlepšuje ovládateľnosť bicykla. Štruktúra kompozitného bicykla z uhlíkových vlákien je pevná a nie je ľahké ju zdeformovať. Prax ukázala, že jeho tuhosť rámu nie je nižšia ako tuhosť rámu z molybdénovej ocele.
c. Dobrá odolnosť proti nárazom
Vlastná frekvencia štruktúry nesúvisí len s tvarom konštrukcie, ale je aj úmerná druhej mocnine špecifického modulu materiálu. Vysoká vlastná frekvencia môže zabrániť skorému poškodeniu spôsobenému rezonanciou v pracovných podmienkach. Uvádza sa, že testy na rámoch rovnakého tvaru a veľkosti ukazujú, že zastavenie vibrácií rámu z hliníkovej zliatiny trvá 9 sekúnd, zatiaľ čo kompozitnému materiálu z uhlíkových vlákien s extrémne vysokou vlastnou frekvenciou trvá zastavenie len 2,5 sekundy. Dobré tlmenie kompozitného materiálu znižuje nárazy bicykla a zlepšuje komfort jazdy.
d. Dobrá bezpečnosť
Matrica v kompozitných materiáloch z uhlíkových vlákien je kontinuálna fáza, ktorá obklopuje nezávislé uhlíkové vlákna a vytvára dynamický neistý systém. Pri náraze na materiál, keď sa zlomí malý počet vlákien, sa zaťaženie rýchlo prerozdelí na neprerušené vlákna, takže konštrukcia môže naďalej niesť zaťaženie, čo výrazne zvyšuje bezpečnosť jazdy. Je ťažké pozorovať zjavné známky únavového zlyhania všeobecných kovových materiálov a ich zlyhanie je často náhle, zatiaľ čo rámy z kompozitov z uhlíkových vlákien majú veľmi dobrú odolnosť proti únave a zjavné príznaky možno pozorovať pred poruchou. Štúdie ukázali, že kompozitné rámy z uhlíkových vlákien vydržia viac ako milión kolíznych testov.
e. Väčšia sloboda konštrukčného návrhu
Kompozitné materiály z uhlíkových vlákien majú vlastnosti anizotropie. Túto vlastnosť kompozitných materiálov je možné využiť na usporiadanie a kladenie vlákien podľa smeru a veľkosti zaťaženia bicykla pri jazde. Flexibilita výroby kompozitných materiálov prispieva k navrhovaniu štruktúr rôznych tvarov. Napríklad aerodynamické bicykle môžu byť navrhnuté podľa aerodynamických princípov, ktoré sú krásne a praktické a ľahko sa pri nich dosahuje najlepší nákladový výkon. f. Dobrá odolnosť proti korózii
Polymérne materiály majú dobrú odolnosť voči kyselinám, zásadám a priemyselnej atmosfére, takže rámy bicyklov vyrobené z kompozitných materiálov z uhlíkových vlákien majú vynikajúcu odolnosť voči kyslej a zásaditej korózii.
Francúzsky výrobca športových áut Bugatti a holandský výrobca bicyklov PG spoločne vydali najľahší bicykel na svete. Dizajn bicykla je inšpirovaný športovým pretekárskym autom Chiron od Bugatti. Je vyrobený z kompozitných materiálov z uhlíkových vlákien a váži iba 11 libier (približne 4,99 kg). Podľa American Architectural Digest je 95 % bicykla vyrobených z kompozitných materiálov z uhlíkových vlákien.
České vysoké učení technické v Prahe využíva na výrobu bicyklových rámov a súvisiacich komponentov automatický proces navíjania vlákien v kombinácii s technológiou integrovanej slučky (ILT) vyvinutou kontinuálnym spájaním vláknitých trubíc. ILT je proces, ktorý kombinuje konštrukčné kompozitné prvky (ako sú rúrky a spojovacie časti). Všetky časti sú vytvorené z jedného kusu a potom zmontované.
(2) Rybárske prúty
Pre milovníkov rybolovu, ako posúdite, ktorá udica je najlepšia? Stručne povedané, odráža najmä tri body: tenký, ľahký a pevný. Preto musí vysokovýkonný rybársky prút spĺňať dve vlastnosti: vysokú tuhosť a nízku hmotnosť.
So vznikom a vývojom uhlíkových vlákien poskytuje rybárskym prútom vysokú špecifickú pevnosť a vysoký špecifický modul, vďaka čomu sú tieto udice ľahšie a ľahšie. Preto sa dnešné rybárske prúty v zásade nazývajú „rybárske prúty z uhlíkových vlákien“.
Rybárske prúty vyrobené z kompozitných materiálov vystužených uhlíkovými vláknami sú oveľa ľahšie ako produkty GFRP alebo plasty, ktoré spotrebujú menej energie pri vyťahovaní prúta a vzdialenosť vytiahnutia prúta je asi o 20 % väčšia ako pri druhom. Rybárske prúty vyrobené z CFRP sú dlhé a kvalitné, s vysokou tuhosťou. Rybárske prúty sa môžu po ohnutí rýchlo zotaviť, vďaka čomu sú citlivejšie na podávanie návnady. Z plastov vystužených uhlíkovými vláknami sa dajú vyrobiť aj cievky rybárskeho náčinia, ktoré nevážia viac ako 140 gramov, ale majú vysokú únavovú pevnosť a odolnosť proti treniu, takže majú dlhú životnosť.
Výhody kompozitných rybárskych prútov z uhlíkových vlákien
Vďaka svojej nízkej hmotnosti a vysokej tuhosti je široko chválený. V procese rybolovu sa výhody rybárskych prútov z uhlíkových vlákien odrážajú v nasledujúcich aspektoch:
·Vzhľadom na to, že udice z uhlíkových vlákien sú ľahšie a tenšie, možno s nimi ľahko manipulovať jednou rukou;
· Vďaka svojej nízkej hmotnosti môže zabrániť tomu, aby sa používatelia cítili unavení;
·Uhlíkové vlákno môže predĺžiť rybárske prúty a dlhšie rybárske prúty znamenajú, že možno pokryť širšiu rybársku oblasť;
· Rybárske prúty z uhlíkových vlákien sú citlivejšie na ryby;
Rybárske prúty z uhlíkových vlákien spôsobujú, že rybári sú z roka na rok viac a viac nadšení a vďaka týmto rybárskym prútom z uhlíkových vlákien sa rybolov stal skôr populárnou zábavnou aktivitou než základným športom, čo nepochybne vytvorilo nový trh pre oblasť uhlíkových vlákien.
(3) tenisové rakety a bedmintonové rakety
Trend vývoja tenisových rakiet je zväčšovať sa a odľahčovať. V súčasnosti je väčšina tenisových rakiet vyššej a strednej triedy na svete vyrobená z kompozitných materiálov z uhlíkových vlákien. Veľké tenisové rakety musia byť vyrobené z kompozitných materiálov z uhlíkových vlákien s nízkou hmotnosťou, vysokou špecifickou pevnosťou a vysokým špecifickým modulom. Vydržia väčšie napätie výpletu ako drevené rámy rakiet, aby sa zabezpečilo, že sa pri údere loptičky nedeformujú. Kompozitné materiály z uhlíkových vlákien s dobrými vlastnosťami tlmenia vibrácií dávajú športovcom nielen pocit pohodlia, ale tiež umožňujú tenisovej loptičke získať vyššiu počiatočnú rýchlosť.
Tenisové rakety vyrobené z kompozitných materiálov sú ľahké a pevné, s vysokou tuhosťou a nízkym namáhaním, čo môže znížiť odchýlku pri kontakte loptičky s raketou. CFRP má zároveň dobré tlmiace vlastnosti, ktoré môžu predĺžiť čas kontaktu medzi výpletom a loptičkou, čo umožňuje tenisovej loptičke dosiahnuť vyššie zrýchlenie. Napríklad čas kontaktu drevených rakiet je 4,33 milisekúnd, čas kontaktu oceľových výrobkov je 4,09 milisekúnd a čas kontaktu CFRP je 4,66 milisekúnd. Zodpovedajúce počiatočné rýchlosti lopty sú 1,38 km/h, 149,6 km/h a 157,4 km/h.
Bedmintonové rakety vyrobené z kompozitných materiálov vystužených uhlíkovými vláknami (CFRP) sa vyznačujú nízkou hmotnosťou, vysokou tuhosťou a zamedzením zlomenia rukoväte v dôsledku nedostatočnej tuhosti drevených výrobkov. Majú tiež funkciu redukcie vibrácií a dobrú odolnosť, čo umožňuje dlhé vzdialenosti odpalu a návratu a vysokú presnosť pristátia lopty.
(4) Golfové palice
V roku 1972 Spojené štáty prvýkrát použili kompozitné materiály z uhlíkových vlákien na výrobu golfových palíc. V roku 1998 počet golfových palíc z uhlíkových vlákien ďaleko prevýšil počet oceľových palíc. Golfové palice sa skladajú z rukoväte, shaftu a hlavy. Golfové palice vyrobené z kompozitných materiálov z uhlíkových vlákien môžu znížiť hmotnosť približne o 10 % až 40 %. Podľa zákona zachovania hybnosti, keď je celková hmotnosť golfovej palice konštantná, môže ťažká hlava a ľahký shaft zvýšiť rýchlosť švihu a umožniť loptičke získať väčšiu počiatočnú rýchlosť. Kompozitné materiály z uhlíkových vlákien majú navyše vysoké tlmiace vlastnosti, ktoré dokážu predĺžiť čas úderu a umožňujú odpálenie lopty ďalej.
(5) Kajak
Použitie kevlaru, aramidového vlákna bežne používaného v nepriestrelnom poli, na kajaku môže zabezpečiť, že dobre štruktúrovaný čln odolá praskaniu a rozbitiu. Keď sa materiály z grafénu a uhlíkových vlákien používajú v kanoe a trupe lodí, môžu nielen zvýšiť jazdnú silu trupu a znížiť hmotnosť, ale aj zvýšiť kĺzavú vzdialenosť.
(6) Závodné autá
V 80. rokoch, keď tím McLaren F1 použil materiály z uhlíkových vlákien na stavbu svojich pretekárskych podvozkov, boli ich pretekárske autá ďaleko pred konkurenciou. Výsledkom bolo, že prístup McLarenu napodobňovali ďalšie tímy a následne sa spätne dostával k rôznym superšportom, vysokovýkonným autám a civilným autám.
V súčasnosti sa aplikácia uhlíkových vlákien v automobilovom priemysle delí najmä na dva typy: suché a mokré. Medzi nimi má suché uhlíkové vlákno počas výroby menej zvyškovej živice a lisované diely sú pevnejšie a drahšie, takže ho široko používajú veľké super luxusné značky.
Obsah živice v mokrom uhlíkovom vlákne je vyšší, takže je oveľa lacnejší ako suché uhlíkové vlákno, pokiaľ ide o pevnosť komponentov a výrobné náklady. Ale či už ide o suché alebo mokré uhlíkové vlákna, má lepší výkon ako bežné materiály.
Telo Ares AMR Pro používa špeciálny fluorescenčný zelený lak a pridáva aj dekoratívny panel z uhlíkových vlákien, na ktorom je vidieť usporiadanie uhlíkových vlákien. Línie celého auta sú štíhlejšie a bočné vonkajšie spätné zrkadlá prešli do aerodynamickejšieho dizajnu. Zadná časť predného blatníka využíva viacdielny ventilačný otvor pre lepšie vedenie vzduchu v podbehu. Bočné prahy, ktoré sú takmer pri zemi, sú spojené s obočím predného a zadného kolesa. Veľmi pôvabný je aj dizajn dverí typu čajka. 20-palcové predné kolesá a 21-palcové zadné kolesá sú vybavené plochými širokými pneumatikami a rembo keramickými brzdovými systémami z uhlíkových vlákien, vďaka čomu celé auto vyzerá krajšie.
Interiér tiež kopíroval klasický dizajn pretekárskeho vozidla Formuly 1 F1. Vďaka integrovanému kokpitu z uhlíkových vlákien je celé auto tuhšie. Strecha, kokpit a podvozok majú integrovaný dizajn z uhlíkových vlákien. Tuhosť celého auta je silnejšia a spätná väzba od cesty je reálnejšia a pozitívnejšia. Veľká plocha semišového materiálu odráža odhalený materiál z uhlíkových vlákien. Stredová konzola je vybavená zaobleným obdĺžnikovým volantom. V strede volantu je LCD displej pre zobrazenie základných informácií o vozidle. Dve zavesené LCD obrazovky sú naklonené smerom k vodičovej strane. Jednodielne pretekárske sedadlo z uhlíkových vlákien je ľahké a môže tiež poskytnúť vodičovi lepšie zabalenie a podporu.
Vďaka jednodielnemu dizajnu uhlíkových vlákien je tuhosť celého vozidla silnejšia a spätná väzba od cesty je reálnejšia a pozitívnejšia. Veľká plocha semišového materiálu odráža odhalený materiál z uhlíkových vlákien. Stredová konzola je vybavená zaobleným obdĺžnikovým volantom. V strede volantu je LCD displej pre zobrazenie základných informácií o vozidle. Dve zavesené LCD obrazovky sú naklonené smerom k vodičovej strane. Jednodielne pretekárske sedadlo z uhlíkových vlákien je ľahké a môže tiež poskytnúť vodičovi lepšie zabalenie a podporu.
