Пултрузионные трубы из углеродного волокна: свойства, стандартные размеры и данные для расчёта

Введение

Пултрузионные трубы из углеродного волокна — рабочий конструкционный профиль мира композитов: непрерывное волокно протягивают через ванну со смолой и нагретую фильеру, отверждают в постоянное сечение с очень высокой долей осевого волокна, а затем режут по длине. Примерно девять из десяти продаваемых на метр углеродных труб — пултрузионные, а не намотанные, потому что процесс непрерывен, экономичен на метр и хорошо повторяем, и потому что он даёт осевую жёсткость, которая нужна большинству конструкций.

Это руководство объясняет, как процесс пултрузии влияет на свойства трубы, какие стандартные наружные диаметры, толщины стенки и длины держат в наличии, и какие данные для расчёта нужны, чтобы подобрать трубу под заданную нагрузку. Приведённые значения типичны для пултрузионных труб стандартного модуля и служат отправной точкой для проектирования, а не сертифицированным паспортом конкретной партии.

Пултрузионные трубы из углеродного волокна: как процесс задаёт свойства

Пултрузия протягивает волокно вдоль оси детали, поэтому готовая труба почти полностью однонаправлена. Стандартная пултрузионная труба имеет объёмную долю волокна около шестидесяти пяти процентов при волокне стандартного модуля, что даёт осевой модуль упругости около ста двадцати гигапаскалей и осевую прочность на растяжение в диапазоне от тысячи двухсот до тысячи восьмисот мегапаскалей при плотности около полутора граммов на кубический сантиметр. Эти числа делают пултрузионную трубу примерно в четыре раза жёстче и в пять раз прочнее алюминиевой трубы той же массы в осевом направлении.

Та же ориентация, что даёт осевое преимущество, ограничивает другие направления. Поскольку поперёк трубы волокна почти нет, поперечная и кольцевая прочность составляют малую долю осевых значений, а жёсткость на кручение определяется тонкой стенкой, а не волокном. Поэтому пултрузионная труба отлично работает на растяжение, сжатие и изгиб вдоль длины и плохо — на местное смятие, изгиб поперёк оси и крутящий момент, если её не усилить на концах или не обмотать. Грамотный проект использует её там, где она сильна, и добавляет склеенную втулку, вкладыш или местный ламинат там, где путь нагрузки поворачивает за угол.

Свойство	Типичное пултрузионное значение	Единица	Примечание
Объёмная доля волокна	60–70	процент	Волокно стандартного модуля
Плотность	1,5–1,6	г/см³	Против 2,7 у алюминия
Осевой модуль упругости	100–150	ГПа	Для расчёта берут 120
Осевая прочность на растяжение	1200–1800	МПа	Падает с тонкой стенкой
Поперечная и кольцевая прочность	40–80	МПа	Слабая ось, зажимать осторожно
Тепловое расширение, осевое	около 0–1	10⁻⁶/K	Почти ноль, не как металл

Стандартные размеры пултрузионных труб из углеродного волокна

Трубы задают наружным диаметром, внутренним диаметром и толщиной стенки, и складская линейка строится вокруг этих трёх чисел, а не вокруг произвольных размеров. Обычные наружные диаметры идут шагом 3, 4, 5, 6, 8, 10, 12, 15, 16, 20, 25, 30, 40 и 50 миллиметров, а стенку выбирают из набора стандартных толщин, чаще всего 0,5, 1,0, 1,5, 2,0, 2,5 и 3,0 миллиметра. Труба с обозначением 10 x 8 мм имеет наружный диаметр десять миллиметров и отверстие восемь миллиметров, что фиксирует стенку в один миллиметр.

В таблице ниже приведены складские размеры и два числа, которые конструктору нужны первыми: момент инерции, задающий жёсткость на изгиб, и масса на метр, задающая вес.

Размер, наруж. x внутр. (мм)	Стенка (мм)	Масса (г/м)	Момент инерции I (мм⁴)	Жёсткость на изгиб EI (Н·м²)
6 x 4	1,0	24	51	6,1
10 x 8	1,0	44	290	34,8
12 x 10	1,0	54	527	63,3
16 x 14	1,0	73	1332	160
20 x 18	1,0	93	2702	324
25 x 23	1,0	117	5441	653
30 x 28	1,0	141	9595	1151

Две привычки подбора экономят деньги. Во-первых, поскольку жёсткость растёт как четвёртая степень диаметра и лишь линейно по стенке, более толстая труба с тонкой стенкой почти всегда выигрывает у меньшей с толстой стенкой по жёсткости на изгиб на грамм. Во-вторых, стандартные размеры и стандартные стенки отгружаются со склада без платы за фильеру и без минимальной партии, поэтому проект, попадающий на складскую линейку, дешевле и быстрее в пополнении, чем требующий нестандартного наружного диаметра. Когда поставленная труба близка, но не точна, покупка следующего складского размера с механической обработкой концов обычно дешевле заказа новой фильеры.

Данные для расчёта пултрузионных труб

Подбор трубы по жёсткости — это расчёт в две строки. Момент инерции полого круглого сечения равен

I = π (D⁴ - d⁴) / 64,

а жёсткость на изгиб равна EI, где E берут равным ста двадцати гигапаскалям для пултрузионной трубы стандартного модуля. Для шарнирно опёртой балки длиной L с сосредоточенной нагрузкой P в середине прогиб равен PL³ / (48 EI); при равномерно распределённой нагрузке w на единицу длины он равен 5wL⁴ / (384 EI). Эти два случая покрывают большинство стоек, распорок и элементов рамы, и таблица выше быстро замыкает расчёт в электронной таблице.

Проверки, которые идут после жёсткости, обычно и определяют окончательную трубу:

• Устойчивость: длинная тонкая труба на сжатие разрушается задолго до прочности материала, поэтому эйлерову устойчивость проверяют по шарнирно опёртой или защемлённой длине, соответствующей реальным условиям концов.
• Местное смятие и давление зажима: болтовые хомуты и стопорные винты легко сминают тонкую однонаправленную стенку, поэтому давление зажима распределяют склеенной втулкой или вкладышем, либо узел заливают вместо зажима.
• Усиление концов: там, где трубу сверлят, болтят или напрессовывают на вкладыш, концы несут местный ламинат или более толстую стенку, чтобы узел не стал слабым звеном.
• Кольцевые и крутящие нагрузки: поскольку волокно осевое, любую скручивающую или радиальную нагрузку проверяют по значительно более низким поперечным свойствам либо решают внешней обмоткой.
• Окружающая среда: пултрузионный эпоксид с покрытием хорошо переносит ультрафиолет и влагу, но голые трубы в наружных конструкциях должны нести краску или гелькоут, защищающий смолу от солнца.

Часто задаваемые вопросы

Какие стандартные размеры пултрузионных труб из углеродного волокна доступны?

Складские наружные диаметры обычно идут от трёх до примерно пятидесяти миллиметров шагом 3, 4, 5, 6, 8, 10, 12, 15, 16, 20, 25, 30, 40 и 50 миллиметров, с толщинами стенки 0,5, 1,0, 1,5, 2,0, 2,5 и 3,0 миллиметра. Трубы поставляют стандартными длинами, чаще всего один или два метра, и режут под заказ. Размеры вне линейки делают под нестандартную фильеру, что влечёт плату за оснастку и минимальный прогон, поэтому перед заказом нестандартного диаметра стоит проверить, можно ли обработать подходящий складской размер.

Каковы модуль и прочность пултрузионной трубы из углеродного волокна?

Пултрузионная труба стандартного модуля обычно показывает осевой модуль упругости от ста до ста пятидесяти гигапаскалей и осевую прочность на растяжение от тысячи двухсот до тысячи восьмисот мегапаскалей при плотности около полутора граммов на кубический сантиметр. Поперечные и кольцевые свойства значительно ниже, в диапазоне от сорока до восьмидесяти мегапаскалей, потому что волокно идёт только вдоль оси. Волокно промежуточного и высокого модуля поднимает осевой модуль до двухсот или трёхсот девяноста гигапаскалей при более высокой цене и выбирается тогда, когда целевой жёсткости не достичь увеличением диаметра.

Можно ли механически обрабатывать и склеивать пултрузионные трубы из углеродного волокна?

Да, и то и другое, с осторожностью. Трубы сверлят и точат твердосплавным инструментом с отсосом пыли, но однонаправленная стенка скалывается на выходе, поэтому режут с подкладкой с обратной стороны и медленной подачей. Склеивание двухкомпонентным эпоксидом — предпочтительный узел, в идеале с зашкуренной и очищенной поверхностью и обработанной или формованной втулкой для распределения нагрузки. Механический крепёж сквозь тонкую стенку всегда подкрепляют втулкой, вкладышем или местным утолщением, потому что болт, опирающийся прямо на миллиметровую стенку, сомнёт её задолго до того, как труба достигнет номинальной нагрузки.

Заключение

Пултрузионные трубы из углеродного волокна — самый дешёвый и наиболее повторяемый способ получить очень жёсткий и очень лёгкий осевой элемент, и ключевые проектные решения видны прямо на линейке размеров: наружный диаметр задаёт жёсткость на изгиб, стенка задаёт массу и сопротивление зажиму, а концы решают, что разрушится первым — узел или труба. Подбирайте трубу сначала по EI, затем проверяйте устойчивость, местное смятие и узел, и покупайте со складской линейки, а не под нестандартную фильеру, везде, где проект это позволяет. YongXian поставляет пултрузионные трубы из углеродного волокна, пултрузионный стержень и согласованные лист и плиту, и наша команда рассчитает жёсткость и устойчивость под ваш случай нагрузки и подтвердит подходящий складской размер. Посмотрите нашу продукцию из углеродного волокна или свяжитесь с нами, указав пролёт, нагрузку и условия закрепления концов, а также сравниваете ли вы поставщиков пултрузии в США или закупаете в Азии.