Ogljik je nujen za preživetje vseh živih bitij, saj je osnova vseh organskih molekul, organske molekule pa so osnova vseh živih bitij.Čeprav je to samo po sebi precej impresivno, je z razvojem ogljikovih vlaken nedavno našlo presenetljive nove uporabe v letalstvu, gradbeništvu in drugih disciplinah.Ogljikova vlakna so močnejša, trša in lažja od jekla.Zato so ogljikova vlakna nadomestila jeklo v visoko zmogljivih izdelkih, kot so letala, dirkalni avtomobili in športna oprema.
Ogljikova vlakna se običajno kombinirajo z drugimi materiali, da tvorijo kompozite.Eden od kompozitnih materialov je plastika, ojačana z ogljikovimi vlakni (CFRP), ki slovi po svoji natezni trdnosti, togosti in visokem razmerju med trdnostjo in težo.Zaradi visokih zahtev kompozitov iz ogljikovih vlaken so raziskovalci izvedli več študij za izboljšanje trdnosti kompozitov iz ogljikovih vlaken, od katerih je večina osredotočena na posebno tehnologijo, imenovano "fiber oriented design", ki izboljša trdnost z optimizacijo orientacije vlakna.
Raziskovalci na Univerzi za znanost v Tokiu so sprejeli metodo načrtovanja ogljikovih vlaken, ki optimizira usmerjenost in debelino vlaken, s čimer poveča trdnost plastike, ojačane z vlakni, in proizvaja lažjo plastiko v proizvodnem procesu, kar pomaga pri izdelavi lažjih letal in avtomobilov.
Vendar metoda načrtovanja vlaken ni brez pomanjkljivosti.Zasnova vodila za vlakna samo optimizira smer in ohranja debelino vlaken fiksno, kar ovira popolno izrabo mehanskih lastnosti CFRP.Dr ryyosuke Matsuzaki s Tokijske univerze za znanost (TUS) pojasnjuje, da se njegove raziskave osredotočajo na kompozitne materiale.
V tem kontekstu so dr. Matsuzaki in njegovi kolegi Yuto Mori in Naoya kumekawa in tus predlagali novo metodo načrtovanja, ki lahko hkrati optimizira usmerjenost in debelino vlaken glede na njihov položaj v kompozitni strukturi.To jim omogoča zmanjšanje teže CFRP brez vpliva na njegovo trdnost.Njihovi rezultati so objavljeni v sestavljeni strukturi revije.
Njihov pristop je sestavljen iz treh korakov: priprava, ponovitev in modifikacija.V postopku priprave se začetna analiza izvede z uporabo metode končnih elementov (FEM) za določitev števila plasti, kvalitativna ocena teže pa se izvede z zasnovo vodila za vlakna modela linearne laminacije in modela spremembe debeline.Usmerjenost vlaken je določena s smerjo glavne napetosti z iterativno metodo, debelina pa je izračunana s teorijo maksimalne napetosti.Nazadnje spremenite postopek, da spremenite obračunavanje izdelovalnosti, najprej ustvarite referenčno območje "osnovnega snopa vlaken", ki zahteva povečano trdnost, nato pa določite končno smer in debelino razporeditve snopa vlaken, paket razširijo na obeh straneh referenca.
Hkrati lahko optimizirana metoda zmanjša težo za več kot 5 % in poveča učinkovitost prenosa obremenitve kot pri uporabi samo usmerjenosti vlaken.
Raziskovalci so navdušeni nad temi rezultati in se veselijo uporabe svojih metod za nadaljnje zmanjšanje teže tradicionalnih CFRP delov v prihodnosti.Dr. Matsuzaki je dejal, da naš oblikovalski pristop presega tradicionalno kompozitno zasnovo za izdelavo lažjih letal in avtomobilov, kar pomaga varčevati z energijo in zmanjšati emisije ogljikovega dioksida.
Čas objave: 22. julij 2021