Плотность углепластикового листа: поверхностная плотность, объёмная доля волокна и плотность ламината

Введение

Плотность углепластикового листа определяет, сколько весит панель при данном объёме, и всё же одна и та же фраза используется для трёх разных измерений. Поставщик может указать плотность самого волокна, поверхностную плотность ткани в граммах на квадратный метр или плотность отверждённого ламината в граммах на кубический сантиметр. Их смешение приводит к деталям тяжелее ожидаемого или к панелям, не дотягивающим до целевой жёсткости. В руководстве объясняется, что на самом деле измеряет плотность углепластикового листа, как эти величины рассчитываются и измеряются и как их применять при выборе листа.

Отверждённый углепластиковый лист или плита обычно имеет плотность от 1,4 до 1,9 грамма на кубический сантиметр, причём автоклавные ламинаты из препрега чаще группируются вокруг 1,55-1,60. Диапазон широк, потому что плотность зависит от марки волокна, содержания смолы, объёмной доли волокна и уровня пористости. Понимание того, какой из этих рычагов задействован, превращает число плотности в проектное решение.

Что на самом деле измеряет плотность углепластикового листа

Три меры ходят под названием плотности углепластикового листа, и спецификация пригодна, только если указано, какая из них имеется в виду:

• Плотность волокна: Плотность самого углеродного волокна, независимо от смолы. Волокно стандартного модуля близко к 1,80 грамма на кубический сантиметр, а высокомодульные марки могут быть немного выше или ниже.
• Поверхностная плотность: Масса материала на единицу площади в граммах на квадратный метр, применяемая к ткани и препрегу. Это двумерная величина, а не плотность в строгом смысле.
• Плотность ламината: Плотность отверждённого листа, сочетающая волокно и смолу и попадающая в полосу от 1,4 до 1,9 грамма на кубический сантиметр.

Различие важно, потому что покупатель, просящий «более лёгкий лист», может нуждаться в меньшей поверхностной плотности, меньшей плотности ламината или просто в более тонкой панели. У каждого рычага своя цена и своё влияние на жёсткость. Определить, какая мера имеется в виду, — первый шаг любого разумного технического задания.

Поверхностная плотность против плотности ламината

В таблице ниже сопоставлены две величины, которые чаще всего путают, на типичных значениях для листа из углеродного волокна стандартного модуля:

Мера	Единица	Типичное значение	Что описывает
Плотность волокна	г/см³	1,80	Чистое углеродное волокно
Поверхностная плотность ткани	г/м²	200-300	Сухая ткань на единицу площади
Поверхностная плотность препрега	г/м²	330-500	Волокно плюс неотверждённая смола
Плотность ламината	г/см³	1,55-1,60	Отверждённый автоклавный лист
Масса отверждённого листа	кг/м²	1,6-1,9	Лист 1 мм на единицу площади

Частая ошибка — принимать поверхностную плотность за плотность. Ткань с поверхностной плотностью 200 граммов на квадратный метр ничего не говорит о толщине, пока её не выложат и не отвердят; после отверждения при типичной объёмной доле волокна эта ткань становится частью ламината с плотностью и толщиной, и только тогда масса готового листа на единицу площади обретает смысл. Паспорт, где толщина углепластикового листа указана рядом с плотностью, позволяет покупателю напрямую рассчитать массу готовой панели. Поверхностная плотность препрега включает смолу, поэтому всегда выше поверхностной плотности исходного сухого волокна.

Расчёт плотности углепластикового листа по правилу смесей

Плотность углепластикового листа отверждённого ламината можно предсказать до изготовления детали по правилу смесей. Словами: плотность композита равна объёмной доле волокна, умноженной на плотность волокна, плюс объёмная доля матрицы, умноженная на плотность матрицы. При плотности волокна около 1,80, эпоксидной матрице около 1,20 и объёмной доле волокна 0,60 предсказанная плотность ламината составляет примерно 1,56 грамма на кубический сантиметр. При объёмной доле 0,50 она лишь немного ниже, а при 0,70 приближается к 1,62.

Поскольку волокно плотнее смолы, более высокая объёмная доля волокна слегка поднимает плотность ламината, одновременно улучшая жёсткость и прочность. Поэтому два листа одинаковой толщины могут весить по-разному: лист с большим содержанием волокна и меньшим содержанием смолы плотнее, но и жёстче, поэтому лишняя масса покупает характеристики. Правило смесей также позволяет проектировщику обратным расчётом оценить приблизительную объёмную долю волокна по измеренной плотности ламината — быстрая проверка, когда паспорт выглядит слишком оптимистично.

Объёмная доля волокна и пористость

Плотность и объёмная доля волокна связаны через пористость. Теоретическая плотность по правилу смесей предполагает идеальный ламинат без пор. Измеренная плотность — это реальный вес листа при его объёме, и разрыв между ними вскрывает уровень пористости:

• Объёмная доля волокна: Доля объёма ламината, занятая волокном, обычно 50-65 процентов в конструкционных ламинатах, измеряется растворением матрицы или потерей при прокаливании.
• Теоретическая плотность: Рассчитывается по плотностям волокна и матрицы и их объёмным долям в предположении отсутствия пор.
• Измеренная плотность: Получается гидростатическим взвешиванием, которое фиксирует реальный ламинат с порами.
• Пористость: Оценивается как единица минус отношение измеренной плотности к теоретической; авиационные ламинаты обычно удерживают ниже 2 процентов.

Гидростатическое взвешивание лежит в основе стандартного метода определения плотности пластмасс вытеснением и служит эталоном для измеренной плотности, а растворение матрицы — эталоном для объёмной доли волокна. Когда измеренная плотность заметно ниже теоретической, разница обычно объясняется порами или захваченным воздухом, а не другим волокном. Именно низкая пористость удерживает ламинат близко и к проектной плотности, и к проектным механическим свойствам.

Почему плотность углепластикового листа важна при проектировании

В лёгком проектировании плотность стоит в знаменателе каждой удельной характеристики. Удельная жёсткость, отношение модуля к плотности, и удельная прочность, отношение прочности к плотности, решают, обходит ли углепластиковый лист алюминий или сталь в конкретном применении. Поскольку плотность углепластикового листа примерно вчетверо меньше, чем у стали, и около 60 процентов от алюминия, углеродный лист может быть намного жёстче на килограмм даже при сопоставимом абсолютном модуле. Это и есть основной аргумент в пользу углеродного волокна в авиации, автоспорте и высококлассных потребительских товарах.

Плотность также определяет практические решения. Ламинат меньшей плотности проще в обращении и быстрее в сборке, и он снижает массу, которую должны нести вторичные конструкции. При этом плотность нельзя снижать бесконечно: ниже разумной объёмной доли волокна лист теряет жёсткость быстрее, чем теряет вес, и удельная жёсткость падает. Цель проекта — не самый лёгкий возможный лист, а лист с наилучшими удельными характеристиками при требуемой толщине и требуемой жёсткости. Паспорт материала углепластикового листа, где плотность, поверхностная плотность, толщина и объёмная доля волокна указаны вместе, даёт проектировщику всё для честного компромисса.

Часто задаваемые вопросы

Какова плотность углепластикового листа?

Отверждённый углепластиковый лист или плита обычно имеет плотность от 1,4 до 1,9 грамма на кубический сантиметр, причём автоклавные ламинаты из препрега чаще группируются вокруг 1,55-1,60. Точная плотность углепластикового листа зависит от марки волокна, системы смолы, объёмной доли волокна и пористости. Само чистое углеродное волокно плотнее, около 1,80 грамма на кубический сантиметр, поэтому готовый лист на единицу объёма обычно немного легче содержащегося в нём волокна.

Как рассчитать плотность углепластикового листа?

Используйте правило смесей: плотность ламината равна объёмной доле волокна, умноженной на плотность волокна, плюс объёмная доля матрицы, умноженная на плотность матрицы. При плотности волокна 1,80, плотности эпоксидной смолы 1,20 и объёмной доле волокна 0,60 предсказанная плотность составляет около 1,56 грамма на кубический сантиметр. Можно также измерить её гидростатическим взвешиванием и сравнить с теоретической величиной; любое занижение указывает на поры. Для данных о плотности углепластиковой плиты уточните, имеется ли в виду отверждённый ламинат или чистое волокно.

Как поверхностная плотность связана с плотностью углепластикового листа?

Поверхностная плотность — это масса ткани или препрега на единицу площади в граммах на квадратный метр, и это не плотность. Поверхностная плотность препрега включает смолу, поэтому выше поверхностной плотности исходного сухого волокна. После выкладки и отверждения ткань данной поверхностной плотности становится частью ламината с истинной плотностью и толщиной. Чтобы найти массу готового листа на единицу площади, умножьте плотность его ламината на толщину.

Заключение

Плотность углепластикового листа — не одно число, а три: плотность чистого волокна около 1,80 грамма на кубический сантиметр, поверхностная плотность ткани или препрега в граммах на квадратный метр и плотность отверждённого ламината в диапазоне 1,4-1,9. Правило смесей связывает плотность ламината с объёмной долей волокна, а разрыв между измеренной и теоретической плотностью вскрывает пористость. Совместное чтение этих величин, а не по отдельности, позволяет проектировщику выбирать лист по удельной жёсткости и удельной прочности вместо того, чтобы платить за массу, которая не совершает работы.

Если вам нужны углепластиковые листы с понятными данными о плотности, поверхностной плотности, толщине и объёмной доле волокна, посмотрите наш ассортимент углепластиковых листов или свяжитесь с нашей командой за паспортами материалов и поддержкой по спецификации.