Ուսումնասիրելով ապակեթելի կտրած փնջի մատի ուժը

Ապակեթելի կտրած փնջի մատի բաղադրությունը և կառուցվածքային բնութագրերը

Կտրած փնջի մատի բաղադրությունը և նյութերը

Բազալտահեղույսի մանրաթել մատը, կամ հապավումը CSM, ստացվում է E-ապակի մանրաթելերի համադրությամբ, որոնք իրենց հերթին սիլիցիումի են բաղկացած կալցիումի և ալյումինի օքսիդների խառնուրդի հետ, ինչպես նաև տարբեր պոլիմերային կապանների հետ, ինչպիսին պոլիէսթերն է կամ ստիրոլը: Արդյունքում ստացվում է մի տեսակ չհյուսված կտորի կառուցվածք, որտեղ մանրաթելերը սովորաբար մեկից մինչև երկու դյույմ են եղած, ստեղծելով բավականին համապարփակ ամրացում ըստ նյութի կառուցվածքի: Երբ ապակեմանրաթելը դառնում է շերտավոր, ապա կապանը իրոք լուծվում է խեժի մեջ: Սա օգնում է տարբեր շերտերին միանալ միմյանց հետ առանց քիմիական կայունությունը վնասելու, այդ իսկ պատճառով էլ արտադրողները այդքան շատ հենվում են այս նյութի վրա իրենց նախագծերում:

Պատահական մանրաթելերի կողմնություն և բազմուղղությամբ ամրություն

Երբ մանրաթելերը տեղադրված են իզոտրոպ ձևով CSM նյութում, ապա բեռնվածքները հավասարաչափ տարածվում են բոլոր ուղղություններով: 2023 թվականին «Նավաշինական Ճարտարապետության Ամսագրում» հրապարակված հետազոտությունն ամենահետաքրքիր բանն այն էր, որ CSM-ն հասնում է մոտ 94% արդյունավետության լարման բոլոր անկյունների տակ, ինչը բավականին ապշեցուցիչ է համեմատած սովորական բամբակյա կտավների հետ: Հավասարաչափ բաշխումը նշանակում է, որ ուղղություններով թույլ կետեր չկան: Այդ իսկ պատճառով այս նյութը այնքան լավ է աշխատում նավերի կաղնպատների և ճնշման տակ գտնվող տարաների համար, որտեղ լարումը գալիս է միաժամանակ բազում ուղղություններից և ճաքերը պետք է կանգնեցվեն, մինչև դրանք տարածվեն:

Ինչպես մանրաթելի երկարությունը և կապակցի տեսակը ազդում են մեխանիկական աշխատանքի վրա

• Ֆիբրային երկարություն : 50 մմ երկարությամբ մանրաթելերը օպտիմալացնում են խեժի հոսքը և ձուլման համապատասխանությունը, իսկ 75 մմ-ից ավել երկարությունները միջշերտային հեռացման դիմադրությունը մեծացնում են 18%-ով (Կոմպոզիտային Նյութերի Ամսագիր, 2022):
• Կապակցի կոնցենտրացիա : 5% կապակցի պարունակությամբ գորգերը դիմադրում են 23%-ով ավելի բարձր ճկվող լարումների շերեմազդի առաջացման դեմ, քան 3% կապակցի պարունակությամբ գորգերը, որը բարելավում է կոնստրուկտիվ ամրությունը կառավարման և բուժման ընթացքում:

Մեխանիկական հատկություններ. ապարատային, ճկվող և հարվածային ուժեր ապակեգորգի համար

Ապակեթելերի համար նախատեսված հատված գորգերում ապակեթելերի ապարատային ուժերը

CSM նյութերը սովորաբար ցուցադրում են ձգման դիմադրության արժեքներ մոտ 80MPa-ից մինչև մոտ 300MPa: Որոշ հատուկ բաղադրույքներով ստացված կոմպոզիտ տարբերակներ լաբորատոր պայմաններում փորձարկելիս իրականում կարող են հասնել մինչև 305MPa: Այս նյութի հետաքրքրությունը կայանում է մատրիցում պատահականորեն դասավորված մանրաթելերի կառուցվածքում: Այդ դասավորությունը օգնում է կիրառվող ուժերը մեկ կետում կենտրոնացնելու փոխարեն տարածել ավելի մեծ տիրույթի վրա, որտեղ սկսվում են անջատումները: Ուսումնասիրություններ են կատարվել մանրաթելերի մատները այլ տեսակի ամրապնդման նյութերի հետ խառնելու արդյունքների վերաբերյալ, որոնք ավելի ուղղորդված ուղղություններ են ունենում: Ըստ Նագա Կումարի և նրա գործընկերների 2024 թվականին հրապարակված վերջին հետազոտությունների, այդ համակարգերը միասին օգտագործելիս ձգման հատկությունները բարելավվում են մոտ 18 տոկոսով միայն CSM-ն օգտագործելու դեպքում:

Ճկման և հարվածային դիմադրությունը. ապակեթելի մատի հիմնարար մեխանիկական հատկություններ

CSM դասակարգումները ցուցադրում են ավելի քան 70 ՄՊա ճկման ամրություն և հարվածային դիմադրություն, որը կազմում է մոտ 96 Ջ/մ: Ինչն է սա հնարավոր դարձնում: Այս նյութերում գտնվող մանրաթելերը միասին աշխատելով կլանում և տարածում են էներգիայի ազդեցությունը ամբողջ կառուցվածքով: Այս դասակարգումների համար կապակցիչներ ընտրելիս նյութերի գիտնականները հետաքրքիր բան են գտել: Ըստ Սումեշի և նրա գործընկերների 2024 թվականին հրապարակված վերջին հետազոտությունների, պոլիվինիլացետատը իրականում բարձրացնում է էներգիայի կլանման հնարավորությունը մոտ 22 տոկոսով համեմատած ստիրոլի հիմնված ավանդական տարբերակների հետ: Սա նշանակում է, որ այն ապրանքները, որոնք պատրաստված են PVA կապակցիչներով, ավելի երկար են ծառայում անընդհատ լարման պայմաններում, որտեղ բեռները ժամանակի ընթացքում փոխում են իրենց ուղղությունը և ինտենսիվությունը:

Համեմատական վերլուծություն. CSM-ի և հյուսվածքային փաթիլի համեմատ ամրության և կոշտության վերաբերյալ

• Ուժ : CSM-ն ապահովում է իզոտրոպ ամրություն, իսկ հյուսվածքային փաթիլը ունի ուղղության գերակայություն:
• Կոշտություն : Հյուսվածքային փաթիլը հիմնական բեռնման ճանապարհներում ապահովում է 40-50% ավելի բարձր կոշտություն:
• Գնահատվածային արդյունավետություն : CSM-ն 60%-ով կրճատում է աշխատանքային ծախսերը բարդ կոնտուրների դեպքում՝ ավելի հեշտ կառավարման շնորհիվ:

Չնայած հյուսվածքային փաթաթումը գերազանցում է միակողմանի կիրառումներում, CSM-ն նախընտրելի է բազմուղղային լարման դաշտերի համար: Հիբրիդային կոնֆիգուրացիաները հասնում են հյուսվածքային փաթաթման գագաթնակետային կոշտության 92%-ին՝ 35%-ով ցածր նյութական ծախսերով (Biswas և հեղինակներ, 2024), առաջարկելով հավասարակշռված լուծում կատարման և տնտեսական արդյունավետության համար:

Արդյունաբերական պարադոքս՝ բարձր ամրության հարաբերակցություն քաշի նկատմամբ թերթային մանրաթելերի դասավորության դեպքում

Առաջին հայացքից CSM-ն կարող է անկարգ թվալ, սակայն այն ապահովում է 8:1-ից ավելի մեծ ամրության հարաբերակցություն քաշի նկատմամբ, որը գերազանցում է կոնստրուկտիվ պողպատը այն տիրույթներում, որտեղ քաշն ամենաշատն է նշանակում, ինչպիսիք են նավերն ու ինքնաթիռները: Ինչո՞ւ: Ոչ մի միակողմանի թուլություն չկա այլևս: Երբ մենք այն ենթարկեցինք լարման թեստերի, այն տևեց մոտ 19% ավելի երկար, քան այն համակարգերը, որտեղ մանրաթելերը դասավորված էին ուղիղ գծով, սա հաստատված է Hanan-ի և մյուսների հետազոտություններով 2024 թվականին: Ինչո՞ւ է սա տեղի ունենում: Որովհետև մանրաթելերը եռաչափ տարածության մեջ միմյանց հետ խառնված են, ստեղծելով ուժի բաշխման բազում ճանապարհներ և հիմնականում ապահովելով այն, որ ոչինչ կտրուկ չի կոտրվի:

Բազմաթել ապակու մանրաթելերի մատի դիմացկունությունը խիստ միջավայրերում

Բազմաթել ապակու մատի ջրակայունությունը և քիմիական դիմացկունությունը

CSM-ն շատ լավ է խոտան և կոռոզիվ պայմաններում, քանի որ այն չի կլանում ջուրը և բնական կերպով դիմադրում է քիմիական նյութերին: Ապակեթելերը պարզապես մղում են խոնավությունը, իսկ պոլիէսթերը դիմադրում է տարբեր տեսակի խիստ քիմիական նյութերի, ներառյալ թթուները, հիմքերը և լուծիչները, նույնիսկ այն դեպքում, երբ դրանք բավականի ուժեղ են (շուրջ pH 12 մակարդակ): Այս կրկնակի պաշտպանության համակարգի շնորհիվ CSM-ն հաճախ օգտագործվում է օրինակ ստորգետնյա վառելիքի տանկերի համար, որտեղ ջուրը ամենուր է, քիմիական գործարանների մասերի համար, որտեղ հանդիպում են ագրեսիվ նյութերի, և նավերի մասերի համար, որոնք մշտապես պայքարում են աղի օվկիանոսային օդի դեմ:

Կոռոզիայի դիմադրություն ծովային և արդյունաբերական կիրառություններում

Մետաղների հետ համեմատած CSM-ն չի ժանգոտվում և չի կրծքատակվում գալվանական կոռոզիայից, ինչը այն դարձնում է իդեալական աղի ջրում օգտագործվող նավերի մարմինների, օֆշոր հարթակների և կեղտաջրերի համակարգերի համար: Նավթավերամշակման հանուքների և արդյունաբերական մաքրման միջոցների նկատմամբ դիմադրությունը նվազեցնում է սպասարկման ծախսերը 30-50%-ով պողպատի հետ համեմատած, ամրապնդելով կյանքի ցիկլի արժեքը ագրեսիվ միջավայրերում:

Ջերմային կայունություն բարձրացված ջերմաստիճանների և կրակի ազդեցության տակ

CSM-ը կարող է պահպանել իր ձևը, նույնիսկ երբ երկար ժամանակ մատուցվում է ջերմության, սովորաբար դիմանում է ջերմաստիճանների շուրջ 300 Ֆարենհայթի (մոտ 149 Ցելսիուս)։ Կրակի ընթացքում կարճ պահերի ընթացքում այն իրականում դիմանում է շատ ավելի բարձր ջերմաստիճանների՝ հասնելով մինչև 600°F (316°C)։ Այլ մատերիալների նման այլ ոչ թե հալվելով, CSM-ն աստիճանաբար ածուխ է դառնում առանց մեծ թուլացման։ Այս հատկությունը շատ արժեքավոր է դարձնում այն կրակի վնասման վտանգ նյութերի համար, ինչպես օրինակ ավտոմեքենայի շարժիչների ներսում և արդյունաբերական սարքավորումների շուրջը, որտեղ անհրաժեշտ է ճիշտ մեկուսացում։ Ըստ UL 94 փորձարկման ստանդարտների, որոնք չափում են այրվող նյութերի վարքը, CSM-ի փորձանմուշները ինքնուրույն դադարում են այրվել 10 վարկյանից հետո, երբ այլևս չեն ենթարկվում բաց բոցի ազդեցությանը։

Խառնուրդի համատեղելիություն և մշակում օպտիմալ կոմպոզիտ կատարման համար

Խառնուրդի համատեղելիությունը մանրացված փնջավոր գործվածքի հետ

CSM-ն աշխատում է լավ տարբեր խեժերի հետ, շնորհիվ այդ իներտ ապակեմանրերի և կապանների, որոնք լուծվում են պոլիէսթերում: Թվերը ևս այս մասին վկայում են. երբ ամեն ինչ ճիշտ է բաղադրվում, մատնանշվում է մոտ 92% միացման ուժ` համեմատած հյուսվածքային նյութերի հետ ըստ նախորդ տարվա Composite Materials Journal-ի: Այն, ինչն ընդգծում է CSM-ն, այն բաց կառուցվածքն է, որն իրավունք է տալիս խեժին իսկապես խորապես ներծծվել նյութի մեջ: Բայց ահա այն տեղը, որտեղ արտադրողների համար ամեն ինչ հետաքրքիր է դառնում. լուծվելու ձևը տարբերվում է կախված նրանից, թե օգտագործվում է օրթոֆտալային թե իզոֆտալային պոլիէսթեր խեժեր: Այս տարբերությունը ազդում է մշակման ժամանակի վրա և կարող է ազդել արտադրողական արդյունավետության վրա իրական կիրառումներում:

Լավագույն խեժերը մանրաթել մատի հետ օգտագործելու համար (պոլիէսթեր, էպօքսի)

Պոլիէսթեր խեժերը տիրապետում են CSM կիրառումներին (շուկայի 75% ), սակայն էպօքսի խեժերի օգտագործումը աճում է բարձր կատարում ունեցող ոլորտներում: Հիմնարար տարբերակներն են.

• Օրթոֆթալմալ պոլիեստերի : Տնտեսապես նպատակահարմար ընտրություն նավթային տանկերի համար ($18–$22/գալ)
• Վինիլ էսթեր : 35% ավելի լավ քիմիական դիմադրություն ցուցաբերում է ստանդարտ պոլիէսթերի համեմատ
• Էպօքսի համակարգեր : Ապահովում է 15% ավելի բարձր ձգման դիմադրություն, սակայն պահանջվում է ճշգրիտ խոնավացման տեխնիկա

Ուսումնասիրությունները ցույց են տվել, որ էպօքսի-CGM համադրությունները կրճատում են խոռոչների առաջացումը 40%-ով պոլիէսթերի համեմատ, երբ մշակվում է 60% հարաբերական խոնավությունից ցածր

Լավագույն խառնուրդի հարաբերակցությունը մատի նկատմամբ օպտիմալ աշխատանքի համար

Օպտիմալ մեխանիկական աշխատանքը տեղի է ունենում 60:40 խառնուրդ-մանրաթել քաշային հարաբերակցությամբ: Հեռանալը հանգեցնում է չափելի կորուստների

Հարաբերակցության տիրույթ	Ճկվող ուժի տատանումներ
55:45	-12%
60:40	Հիմք
65:35	-9%

Խավարի ավելցուկը ավելորդ քաշ է ավելացնում, իսկ անբավարար խավարը հանգեցնում է չոր բծերի, որոնք իջեցնում են միջշերտային կտրողական ամրությունը մինչև 30%-ով

Խորասուզման արդյունավետությունը և օդի կլանման հետ կապված դժվարաթյունները շերտավորման ընթացքում

CSM-ում պատահական մանրաթելերի դասավորությունը կարող է խանգարել խավարի հոսքին, ինչը պահանջում է հատուկ մշակման տեխնիկաներ

• Ուղղահայաց ռոլլերային հագեցումը մեծացնում է խորասուզման արագությունը 25%-ով
• Փոքր պարկի օգտագործումը սահմանափակում է խոռոչների պարունակությունը 1.5%-ից ցածր
• Հաջորդական շերտավորումը կանխում է բինդերի լվացումը հաստ շերտավորումներում

Կարևոր է պահպանել խավարի մածությունը 300–500 cPs սահմաններում՝ բարձր մածությունները 2.3± ավելի շատ օդ են կլանում, ինչպես ցույց է տրվել վերահսկվող շերտավորման փորձարկումներում

Հիմնարար արդյունաբերական կիրառումներ, որոնք օգտագործում են ապակեթելի կտրած փնջի մատի ամրությունը

Ծովային կիրառություններ. նավի մարմնի ամրապնդում և երկարակյաց դիմացկունություն աղի ջրում

Ծովային ինժեներները օգտագործում են CSM-ը նավի մարմնի ամրապնդման համար՝ օգտագործելով նրա կոռոզիայի դիմաց դիմացկունությունը և բազմաուղղված ամրությունը: Այն դիմանում է ալիքների հարվածներին և աղի ջրի ազդեցությանը, բարելավում է թեթև կառուցվածքի շնորհիվ լողալու հնարավորությունը և բացառում է ժանգի առաջացման վտանգը: Ուսումնասիրությունները հաստատել են, որ CSM-ը պահպանում է կառուցվածքային ամբողջականությունը ծովային միջավայրերում ավելի քան 15 տարի (2023), աջակցելով նավերի երկարաժամկետ հուսալիությանը:

Ավտոմոբիլային և ավիացիոն կիրառություններ. թեթև, բարձր կոշտությամբ կոմպոզիտային լուծումներ

Փոխադրամիջոցներում CSM-ն օգտագործվում է դռների վահաններում, բամպերների միջուկներում և ինքնաթիռների ներքին մասերում: 2024 թվականի նյութերի վերլուծությունը ցույց տվեց, որ CSM-ի հիման վրա ստացված կոմպոզիտները մասերի զանգվածը 38%-ով կրճատում են պողպատի դեպքում՝ պահպանելով ձգման ամրությունը: Այս քաշի կրճատումը բերում է վառելիքի ավելի մեծ տնտեսության ավտոմեքենաներում և մեծացնում է ինքնաթիռների բեռնատարությունը՝ համապատասխանելով գլոբալ կայուն զարգացման նպատակներին:

Բարդ կոմպոզիտային արտադրության մեջ ճկունություն և ձևափոխման հարմարվողականություն

CSM-ի թափանցիկությունը նշանակում է, որ այն իրոք կարող է փաթաթվել բարդ ձևերի շուրջը՝ խուսափելով խումբ կազմելուց, այնպես որ արտադրողները ավելի լավ արդյունքներ են ստանում, երբ պատրաստում են օրինակ՝ քամու տուրբինի թեփեր և մոտոցիկլի մարմնի վահաններ: Այն արհեստանոցները, որոնք անցել են CSM-ի, նկատել են, որ դրանց դիրքավորման գործընթացը ավելի արագ է եղել մոտավորապես 27% -ով համեմատած ավանդական բամբակե նյութերի հետ, քանի որ տեղադրման ընթացքում չկա ուղղության կողմնակալության խնդիր: Այդպիսի ճկունությունը բացատրում է, թե ինչու է այնքան շատ արհեստանոցներ ընտրում CSM-ն, երբ նրանք պետք է նոր դիզայների պրոտոտիպներ պատրաստեն կամ արտադրեն մեծ քանակով անսովոր ձևերի բաղադրիչներ: Այն մարդկանց համար, ովքեր ամենօրյա հիմքով անել են բարդ ձևերի հետ, այս նյութը գործնականում ավելի լավ է աշխատում, քան մնացածները:

Հաճախ տրվող հարցեր

Ինչի՞ց է բաղկացած ապակեմանրի մանրաթել մատը (CSM-ն)

CSM-ն բաղկացած է E-ապակու թելերից, որոնք միացված են պոլիմերային կապանքների հետ, ինչպիսիք են պոլիէսթերը կամ ստիրոլը, որոնք կազմում են չհյուսված կտորի կառուցվածք:

Ինչպե՞ս է պատահական մանրաթելերի կողմնորոշումը ազդում CSM-ի մեխանիկական հատկությունների վրա

Պատահական մանրաթելերի կողմնորոշումը բեռը հավասարաչափ բաշխում է բոլոր ուղղություններով, ամրապնդելով բազմուղղված ամրությունը և կանխելով թույլ կետերը

Ո՞րն է CSM-ի օգտագործման հիմնական առավելությունները ծովային կիրառումներում

CSM-ն ապահովում է կոռոզիայի դիմադրություն, բազմուղղված ամրություն և երկարաժամկետ տևողություն աղի ջրի միջավայրում, որը դարձնում է այն նավերի կողերի համար հարմար ամրապնդման միջոց

Ինչո՞ւ է CSM-ն նախընտրելի բարդ կոմպոզիտային արտադրության մեջ

CSM-ն ապահովում է հիանալի ձևաբերում բարդ ձևափոխումների շուրջ, արագ դասավորման գործընթացներ և վերացնում է ուղղության կողմնակալությունը, ինչը դարձնում է այն հարմար պրոտոտիպերի և խոշորամասշտաբ արտադրության համար