碳纤维设计与应用指南

碳纤维是如何制成的？

第 1 步：前体

为了生产碳纤维，需要有机聚合物前体。这种原材料经过加热和化学试剂处理，将其转化为碳纤维。

第一种高性能碳纤维材料是由人造丝前体制成的。

目前，大约 90% 的碳纤维是由聚丙烯腈制成的，而另外 10% 左右是由人造丝或石油沥青制成的。

第 2 步：制造

碳纤维制造过程始于碳化。为了获得高质量的碳纤维，前体聚合物需要包含高百分比的碳原子。结构内的大部分非碳原子将在此过程中被去除。

首先，前体被拉成长纤维。然后将这些纤维在厌氧气体混合物（不存在氧气）中加热到非常高的温度，以确保材料不会燃烧。热量激发纤维的原子结构，并从材料中驱除大部分非碳原子。

第 3 步：治疗

碳化后，必须对碳纤维的表面进行处理以提高与环氧树脂或其他树脂的粘合性。碳纤维表面的仔细氧化改善了化学粘合性能，同时表面的粗糙化提供了改善的机械粘合。

这种氧化可以以多种不同的方式完成。碳纤维可以暴露于各种气体，如二氧化碳或臭氧，或液体，如硝酸，甚至电解处理。

第 4 步：调整大小

在编织之前，碳纤维必须上浆或涂上聚合物，以在编织过程中保护它们。选择施胶剂以与要使用的层压树脂相容。然后将纤维缠绕到线轴上、纺纱并加工成各种编织和其他形式

原因二：低热膨胀

选择碳纤维的一个重要好处是它随温度变化的尺寸稳定性。碳纤维的热膨胀系数小于每华氏度百万分之一英寸，而钢的热膨胀系数为每华氏度的百万分之一英寸/英寸，铝的热膨胀系数为百万分之一英寸/英寸。

原因 3：各向异性特性

在设计复合材料部件时，不能简单地将碳纤维与钢、铝或塑料的性能进行比较。这些材料具有均质（所有点的特性相同）和各向同性（沿所有轴的特性相同）。相比之下，碳纤维部件既不是均匀的也不是各向同性的。在碳纤维部件中，强度位于纤维的轴上，因此纤维密度和取向会极大地影响机械性能。这提供了泰勒沿任何轴的零件机械性能的能力。

碳纤维原型

设计过程的一个组成部分是原型设计。碳纤维原型团队由经验丰富的工程师和经验丰富的工匠组成。碳纤维原型的范围可以从简单的测试件到功能齐全的接近生产就绪的组件。通常，单个组件和子组件会经过广泛的测试，以验证设计计算并向客户保证最终产品将满足所有规格。

除了用于评估功能外，我们的高品质碳纤维原型还经常被客户用作营销工具。即使在产品开发的早期阶段，我们的原型团队也致力于在形式和功能方面达到生产级质量。

碳纤维用途和应用

1. 碳纤维桁架和横梁

碳纤维复合材料为传统材料（如钢或铝）提供了替代材料，用于建造轻质桁架和框架结构。

2.方形碳纤维管和角撑板

第一个高强度、坚固的结构系统利用矩形和方形管和角撑板将它们连接起来。管子的尺寸从 3/4”x3/4” 到 2”x4” 或更大。除了整体尺寸外，还可以定制壁厚、角撑板几何形状和铺设时间表，以满足每种应用的需求。例如，可以将单向碳纤维添加到单个构件中以增加弯曲/轴向刚度和强度。同样，可以调整角撑板厚度和几何形状，以确保通过接头进行适当的负载传递。NeiNastran 复合 FEA 计算可用于优化结构以实现最小重量，同时保持指定的强度和刚度要求。

3. 模块化连接器和卷绕碳纤维管

DragonPlate现在提供全系列获得专利的模块化碳纤维管连接器，可以很容易地使用卷装碳纤维管构建坚固、坚固的结构。模块化连接器通常在管端内部粘合，并通过螺栓相互连接。多个管子可以用一个螺栓连接，可以很容易地拆卸，以便快速拆卸并在以后重新安装。简单的销钉接头允许无限选择连接角度。管可以连接到板或其他安装支架。带有端螺纹的模块化连接器可以轻松连接硬件、传感器、摄像头等。连接器通过非常坚固的专利接头设计轻松粘合到管中。

6.碳纤维桁架应用

轻质碳纤维桁架和梁的应用是无穷无尽的。一些例子包括机器人支撑结构和末端执行器、在高速或便携式应用中替代悬臂梁、科学和气象应用以及无人驾驶车辆框架。如果应用要求重量最小，但刚度和强度高，碳纤维桁架或梁可能是值得研究的解决方案。

7.碳纤维战术桥梁和梯子

碳纤维复合材料在建造先进的战术碳纤维梯子和桥梁方面提供了优于传统材料的显着优势。

8. 乐器中的碳纤维

除了工业和军事应用，也对碳纤维复合材料在音乐和声学共振领域的应用有着浓厚的兴趣。

9.无人驾驶车辆

10. 自动化和机器人

将工业自动化融入其制造流程的设施不断努力通过提高速度和精度来提高效率。通常，实现这些目标的最直接手段是减轻重量并增加机器人的刚度，特别是机器人末端执行器。轻型末端执行器直接转化为生产线速度的提高、精度的提高、电机和执行器负载的降低以及可靠性的提高。