कार्बन फाइबर ट्यूब इतने हल्के क्यों हैं? उनके कम घनत्व का कारण समझें

कार्बन फाइबर ट्यूब इतने हल्के क्यों हैं?

कार्बन फाइबर ट्यूबों का व्यापक रूप से एयरोस्पेस संरचनाओं, यूएवी फ्रेम, रोबोटिक हथियार, मछली पकड़ने वाली छड़ें, कैमरा सपोर्ट, चिकित्सा उपकरण, स्वचालन मशीनरी, खेल उपकरण और अन्य अनुप्रयोगों में उपयोग किया जाता है जहां संरचनात्मक वजन मायने रखता है। उनकी लोकप्रियता कम घनत्व, उच्च कठोरता, उच्च तन्यता ताकत, संक्षारण प्रतिरोध और लागू भार की दिशा में फाइबर अभिविन्यास को अनुकूलित करने की क्षमता के संयोजन से आती है।

लेकिन कार्बन फ़ाइबर ट्यूब इतने हल्के क्यों होते हैं? इसका उत्तर केवल यह नहीं है कि कार्बन फ़ाइबर "धातु से हल्का" होता है। कार्बन फाइबर ट्यूब का हल्का व्यवहार सामग्री घनत्व, ट्यूबलर ज्यामिति, फाइबर अभिविन्यास, फाइबर वॉल्यूम अंश, राल सामग्री और विनिर्माण प्रौद्योगिकी के बीच बातचीत के परिणामस्वरूप होता है।

टोरे T700S जैसे एक प्रतिनिधि उच्च शक्ति वाले कार्बन फाइबर में फाइबर घनत्व 1.80 ग्राम/सेमी³, तन्यता ताकत 4,900 एमपीए, तन्यता मापांक 230 जीपीए और फिलामेंट व्यास लगभग 7 माइक्रोमीटर है। टोरे 60% फाइबर मात्रा पर सामान्यीकृत T700S/एपॉक्सी मिश्रित गुणों की भी रिपोर्ट करता है, जिसमें 2, 860 MPa तन्य शक्ति और 134 GPa तन्य मापांक शामिल हैं।

ये संख्याएँ यह समझाने में मदद करती हैं कि क्यों कार्बन फाइबर ट्यूब पारंपरिक धातुओं से जुड़े द्रव्यमान की आवश्यकता के बिना उच्च संरचनात्मक दक्षता प्राप्त कर सकते हैं।

हालाँकि, एक महत्वपूर्ण अंतर है: कार्बन फाइबर एक सुदृढीकरण है, जबकि कार्बन फाइबर ट्यूब आम तौर पर एक मिश्रित संरचना होती है। तैयार ट्यूब में कार्बन फाइबर, पॉलिमर राल और कभी-कभी अतिरिक्त सतह या कोर सामग्री होती है। नतीजतन, इसका अंतिम घनत्व और यांत्रिक प्रदर्शन संपूर्ण विनिर्माण डिजाइन पर निर्भर करता है।

निम्नलिखित अनुभाग हल्के कार्बन फाइबर ट्यूबों के पीछे के विज्ञान की जांच करते हैं, प्रासंगिक इंजीनियरिंग शब्दावली की व्याख्या करते हैं, पारंपरिक धातुओं के साथ कार्बन फाइबर ट्यूबों की तुलना करते हैं, और व्यावहारिक विनिर्माण समस्याओं और समाधानों पर चर्चा करते हैं।

कार्बन फाइबर ट्यूबों का घनत्व क्या है?

हल्के पदार्थों को समझने के लिए घनत्व प्रारंभिक बिंदु है। इंजीनियरिंग में, घनत्व को प्रति इकाई आयतन के द्रव्यमान के रूप में परिभाषित किया जाता है: ρ=m / V जहां ρ घनत्व है, m द्रव्यमान है, और V आयतन है। कम घनत्व वाले पदार्थ में समान आयतन में कम द्रव्यमान होता है। कार्बन फाइबर विशेष रूप से आकर्षक है क्योंकि व्यावसायिक फाइबर का घनत्व आमतौर पर ग्रेड और संरचना के आधार पर 1.75-1.90 ग्राम/सेमी³ के आसपास होता है। टोरे का T700S एक उपयोगी औद्योगिक संदर्भ प्रदान करता है। इसका प्रकाशित फाइबर घनत्व 1.80 ग्राम/सेमी³ है, जबकि इसकी तन्यता ताकत 4,900 एमपीए और तन्यता मापांक 230 जीपीए है। हेक्सेल के प्रकाशित पैन कार्बन फाइबर डेटा से यह भी पता चलता है कि उच्च प्रदर्शन वाले कार्बन फाइबर आमतौर पर इस घनत्व सीमा के करीब रहते हैं। उदाहरण के लिए, इसकी तकनीकी डेटा सूची AS4 लगभग 1.79 g/cm³, IM7 लगभग 1.80 g/cm³, और HM63 लगभग 1.76 g/cm³ है।

तुलना के लिए, सामान्य संरचनात्मक सामग्रियों में काफी भिन्न घनत्व होते हैं।

तैयार कार्बन फाइबर ट्यूब के लिए इंजीनियरों को केवल कार्बन फाइबर डेटाशीट से फाइबर घनत्व की नकल नहीं करनी चाहिए। ट्यूब में राल भी होता है।

इसलिए अंतिम ट्यूब घनत्व इस पर निर्भर करता है:

• कार्बन फाइबर ग्रेड
• राल घनत्व
• फाइबर मात्रा अंश
• शून्य सामग्री
• फाइबर ओरिएंटेशन
• ट्यूब दीवार की मोटाई
• विनिर्माण प्रक्रिया
• सतह कोटिंग्स
• आवेषण या अतिरिक्त सामग्री

एल्यूमीनियम या स्टील टयूबिंग के साथ कम घनत्व वाले कार्बन फाइबर ट्यूब की तुलना करते समय यह अंतर विशेष रूप से महत्वपूर्ण है। सही तुलना समकक्ष संरचनात्मक आवश्यकताओं वाले तैयार घटकों के बीच होनी चाहिए, न कि केवल कच्चे फाइबर और धातु के बीच।

ट्यूबलर आकार कार्बन फाइबर ट्यूबों को और भी अधिक वजनी -कुशल क्यों बनाता है?

कार्बन फाइबर ट्यूब के हल्के होने का दूसरा कारण उनकी ज्यामिति है। एक ट्यूब को उसके पूरे क्रॉस सेक्शन में ठोस पदार्थ रखने की आवश्यकता नहीं होती है। इसके बजाय, इसकी अधिकांश संरचनात्मक सामग्री बाहरी परिधि के आसपास स्थित होती है, जिससे क्षेत्र का एक उच्च दूसरा क्षण बनता है, जिसे जड़ता का क्षेत्र क्षण भी कहा जाता है। यह एक ज्यामितीय गुण है जो बताता है कि एक क्रॉस - सेक्शन झुकने वाली धुरी के सापेक्ष सामग्री को कितने प्रभावी ढंग से वितरित करता है। झुकने के लिए, सामग्री को तटस्थ अक्ष से दूर ले जाने से आनुपातिक रूप से द्रव्यमान में वृद्धि किए बिना झुकने की कठोरता में काफी वृद्धि हो सकती है।

यह बताता है कि क्यों ट्यूबों का उपयोग संरचनाओं में बड़े पैमाने पर किया जाता है जैसे:

• यूएवी हथियार
• साइकिल फ़्रेम
• रोबोटिक लिंक
• कैमरा बूम
• टेलीस्कोपिक पोल
• मछली पकड़ने वाली छड़
• एयरोस्पेस संरचनात्मक सदस्य
• ड्राइव शाफ्ट औद्योगिक रोलर्स

फ़ाइबर ओरिएंटेशन कार्बन फ़ाइबर ट्यूबों को भारी बनाए बिना कैसे मजबूत बनाता है?

तीसरा प्रमुख कारण फाइबर ओरिएंटेशन है। कार्बन फाइबर अत्यधिक अनिसोट्रोपिक है। इसका मतलब यह है कि इसके यांत्रिक गुण दिशा के अनुसार भिन्न-भिन्न होते हैं। टोरे का T700S फाइबर स्तर और अनुप्रस्थ मिश्रित व्यवहार के बीच अंतर को दर्शाता है। फाइबर की तन्य शक्ति 4,900 एमपीए और मापांक 230 जीपीए है, जबकि सामान्यीकृत 60% फाइबर - मात्रा वाले एपॉक्सी कंपोजिट में 0 डिग्री तन्य शक्ति 2,860 एमपीए और तन्य मापांक 134 जीपीए है। इस दिशात्मक प्रदर्शन का कारण कार्बन फाइबर का अभिविन्यास है। मुख्य रूप से अक्षीय तनाव के अधीन एक ट्यूब, ट्यूब अक्ष के समानांतर, 0 डिग्री के करीब उन्मुख फाइबर से लाभान्वित होती है। मरोड़ के संपर्क में आने वाली ट्यूब को महत्वपूर्ण ±45 डिग्री सुदृढीकरण की आवश्यकता होती है, क्योंकि ये फाइबर कतरनी तनाव को कुशलतापूर्वक सहन करते हैं। एक दबाव पोत को घेरा उन्मुख सुदृढीकरण की आवश्यकता हो सकती है, क्योंकि परिधीय तनाव महत्वपूर्ण हो जाता है।

इसलिए एक व्यावहारिक कार्बन फाइबर ट्यूब कई अभिविन्यासों का उपयोग कर सकती है:

• 0 डिग्री: अक्षीय कठोरता और तन्य शक्ति
• ±45 डिग्री: मरोड़ और कतरनी प्रदर्शन
• 90 डिग्री: अनुप्रस्थ स्थिरता और घेरा सुदृढीकरण
• हाइब्रिड लेआउट: एकाधिक लोड मामलों को संतुलित करें

यह पारंपरिक आइसोट्रोपिक धातुओं से एक बड़ा अंतर है। एक स्टील ट्यूब में आम तौर पर विभिन्न दिशाओं में अपेक्षाकृत समान गुण होते हैं। एक कार्बन फाइबर ट्यूब को इंजीनियर किया जा सकता है ताकि सुदृढीकरण वहीं केंद्रित हो जहां भार वास्तव में होता है।

कार्बन फ़ाइबर ट्यूबों की ताकत -से-वजन अनुपात की तुलना एल्युमीनियम और स्टील से कैसे की जाती है?

हल्के संरचनात्मक इंजीनियरिंग में ताकत {{0} से {{1} वजन अनुपात सबसे महत्वपूर्ण अवधारणाओं में से एक है। तकनीकी शब्द विशिष्ट शक्ति है, जिसे आमतौर पर घनत्व द्वारा विभाजित तन्य शक्ति के रूप में व्यक्त किया जाता है। एक समान पैरामीटर, विशिष्ट कठोरता, यंग के मापांक की तुलना घनत्व से करता है। उदाहरण के तौर पर टोरे के T700S फाइबर का उपयोग करना: तन्य शक्ति=4, 900 MPa घनत्व=1.80 g/cm³ तन्य मापांक=230 GPa ये गुण बहुत उच्च फाइबर - स्तर की विशिष्ट शक्ति और विशिष्ट कठोरता बनाते हैं। लेकिन सीधी तुलना करते समय इंजीनियरों को सावधान रहना चाहिए। कार्बन फाइबर ट्यूब एक लेमिनेट मिश्रित है, जबकि एल्यूमीनियम या स्टील ट्यूब आम तौर पर एक आइसोट्रोपिक धातु संरचना होती है। अंतिम प्रदर्शन दीवार की मोटाई, व्यास, विनिर्माण प्रक्रिया, जोड़ों, स्थानीय बकलिंग, प्रभाव प्रतिरोध और लोडिंग दिशा पर निर्भर करता है।

डीओई अनुसंधान कार्बन फाइबर कंपोजिट को उन्नत हल्के सामग्रियों में से एक के रूप में पहचानता है जो पर्याप्त द्रव्यमान कटौती में सक्षम है। इसके परिवहन सामग्री कार्यक्रम का अनुमान है कि कार्बन फाइबर कंपोजिट कुछ घटकों के वजन को लगभग 50-70% तक कम कर सकता है, जबकि लागत, जुड़ाव, मॉडलिंग और रीसाइक्लिंग को भी महत्वपूर्ण बाधाओं के रूप में ध्यान में रखा जा सकता है। डीओई का यह भी कहना है कि वाहन के वजन में 10% की कमी से ईंधन अर्थव्यवस्था में लगभग 6-8% सुधार हो सकता है, हालांकि वास्तविक सिस्टम स्तर के परिणाम वाहन के डिजाइन और परिचालन स्थितियों पर निर्भर करते हैं।

यह दर्शाता है कि क्यों हल्के कार्बन फाइबर ट्यूब, ट्यूब से परे भी मूल्यवान हैं। चलती रोबोटिक भुजा, यूएवी बूम, ड्राइव शाफ्ट, या एयरोस्पेस संरचना के द्रव्यमान को कम करने से अन्य घटकों पर लगाए गए भार को कम किया जा सकता है।

उदाहरण के लिए, एक हल्का रोबोटिक लिंक एक्चुएटर आवश्यकताओं को कम कर सकता है। एक हल्का यूएवी बूम संरचनात्मक द्रव्यमान को कम कर सकता है जिसे लगातार उठाया जाना चाहिए। एक हल्का घूमने वाला शाफ्ट घूर्णी जड़ता को कम कर सकता है। इसलिए, कार्बन फाइबर ट्यूबों का वास्तविक लाभ अक्सर केवल एक घटक को हल्का बनाने के बजाय सिस्टम स्तर के द्रव्यमान में कमी करना होता है।

कठोरता खोए बिना कार्बन फाइबर ट्यूब हल्के क्यों हो सकते हैं?

हल्का वजन अक्सर एक चिंता पैदा करता है: यदि एक ट्यूब पतली हो जाती है, तो क्या यह बहुत अधिक लचीली हो जाएगी? उत्तर इस बात पर निर्भर करता है कि डिज़ाइन ताकत या कठोरता द्वारा नियंत्रित है या नहीं। ताकत इस बात से संबंधित है कि क्या घटक बिना किसी विफलता के लागू भार का सामना कर सकता है। कठोरता इस बात से संबंधित है कि उस भार के तहत घटक कितना विकृत होता है।

कई कार्बन फाइबर ट्यूबों के लिए, अंतिम तन्य शक्ति के बजाय कठोरता आवश्यक दीवार की मोटाई निर्धारित करती है।

यह विशेष रूप से महत्वपूर्ण है:

• रोबोटिक हथियार
• यूएवी में उछाल
• कैमरा सपोर्ट ट्यूब
• परिशुद्धता मशीन घटक
• दूरबीन संरचनाएँ
• एंटीना सपोर्ट करता है
• ऑप्टिकल उपकरण
• स्वचालन उपकरण

एक घटक में पर्याप्त तन्य शक्ति हो सकती है लेकिन फिर भी वह अत्यधिक विक्षेपित हो सकता है। उदाहरण के लिए, एक रोबोटिक भुजा में, अत्यधिक विक्षेपण स्थिति सटीकता को कम कर सकता है, भले ही ट्यूब अपने विफलता भार के करीब न पहुंचे। इसलिए कार्बन फाइबर का उच्च मापांक अत्यंत मूल्यवान हो सकता है। टोरे 230 GPa के T700S फाइबर मापांक और 60% फाइबर मात्रा पर 134 GPa के सामान्यीकृत समग्र तन्य मापांक की रिपोर्ट करता है। तकनीकी व्याख्या - यंग का मापांक: यंग का मापांक लोचदार कठोरता को मापता है। एक उच्च मापांक का मतलब आम तौर पर सामग्री की लोचदार सीमा के भीतर दिए गए तनाव के तहत कम लोचदार विरूपण होता है। हालाँकि, ट्यूब की कठोरता केवल मापांक द्वारा निर्धारित नहीं होती है।

यह इस पर भी निर्भर करता है:

• ट्यूब व्यास
• दीवार की मोटाई
• क्रॉस-अनुभागीय ज्यामिति
• फाइबर ओरिएंटेशन
• समर्थन की शर्तें
• ट्यूब की लंबाई
• लोड दिशा

नतीजतन, बाहरी व्यास को बढ़ाने से कभी-कभी दीवार की मोटाई जोड़ने की तुलना में झुकने की कठोरता में अधिक कुशलता से सुधार हो सकता है। यह एक कारण है कि बड़े -व्यास, पतले-दीवार वाले कार्बन फाइबर ट्यूब हल्के संरचनात्मक अनुप्रयोगों के लिए तेजी से आकर्षक हो रहे हैं। डिज़ाइनर सामग्री की उच्च विशिष्ट कठोरता और ट्यूबलर क्रॉस अनुभाग की ज्यामितीय दक्षता दोनों का फायदा उठा सकता है।

हल्के कार्बन फाइबर ट्यूब कैसे निर्मित होते हैं?

विनिर्माण प्रक्रिया कार्बन फाइबर ट्यूबों के अंतिम वजन और यांत्रिक गुणों को दृढ़ता से प्रभावित करती है। कई विनिर्माण प्रौद्योगिकियों का व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है।

1. पुलट्रूज़न पुलट्रूज़न लगातार कार्बन फाइबर को एक राल प्रणाली के माध्यम से खींचता है और गर्म होकर डाई बनाता है।

यह इसके लिए विशेष रूप से उपयुक्त है:

• सीधी छड़ें
• ट्यूबों
• प्रोफाइल
• संरचनात्मक बीम
• निरंतर उत्पादन

पुलट्रूज़न अत्यधिक सुसंगत क्रॉस-सेक्शन और मजबूत अनुदैर्ध्य सुदृढीकरण का उत्पादन कर सकता है।

2. फिलामेंट वाइंडिंग फिलामेंट वाइंडिंग नियंत्रित कोणों पर एक खराद के चारों ओर निरंतर राल {{1}संसेचित फाइबर रखता है।

यह इसके लिए विशेष रूप से उपयुक्त है:

• ट्यूबों
• दबाव वाहिकाओं
• ड्राइव शाफ्ट
• बेलनाकार संरचनाएँ

घुमावदार कोण को अक्षीय, घेरा और मरोड़ वाली लोडिंग के अनुसार अनुकूलित किया जा सकता है।

3. रोल रैपिंग रोल रैपिंग में एक मेन्ड्रेल के चारों ओर लपेटे गए प्रीप्रेग या कार्बन फाइबर कपड़े का उपयोग किया जाता है।

इसका उपयोग आमतौर पर इसके लिए किया जाता है:

• कार्बन फाइबर ट्यूब
• टेलीस्कोपिक ट्यूब
• खेल सामग्री
• कैमरा पोल
• औद्योगिक संरचनात्मक ट्यूब

निष्कर्ष

कार्बन फ़ाइबर ट्यूब हल्के वजन वाले होते हैं क्योंकि कार्बन फ़ाइबर का घनत्व कम होता है और यह उत्कृष्ट मजबूती और कठोरता प्रदान करता है। उनकी खोखली संरचना संरचनात्मक प्रदर्शन से समझौता किए बिना अनावश्यक सामग्री को और कम कर देती है। फ़ाइबर ओरिएंटेशन और ट्यूब डिज़ाइन को अनुकूलित करके, निर्माता उच्च शक्ति {{2}से {{3}वजन अनुपात प्राप्त कर सकते हैं। ये फायदे कार्बन फाइबर ट्यूबों को ड्रोन, रोबोटिक्स, एयरोस्पेस, खेल उपकरण, स्वचालन मशीनरी और अन्य हल्के संरचनात्मक अनुप्रयोगों के लिए आदर्श बनाते हैं।

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संदर्भ

टोरे कम्पोजिट सामग्री अमेरिका - TORAYCA™ T700S कार्बन फाइबर डेटा शीट

अमेरिकी ऊर्जा विभाग - कारों और ट्रकों के लिए हल्की सामग्री

T700S, T700G, T800H और अन्य कार्बन फाइबर ग्रेड के लिए तुलनात्मक तकनीकी डेटा प्रदान करता है।