1. Uporaba kompozitnih materialov iz ogljikovih vlaken na področju športa in prostega časa ter glavnih proizvodnih procesov
Uporaba ogljikovih vlaken v športnih izdelkih se je začela v sedemdesetih letih prejšnjega stoletja. Takrat so se vsi osredotočali na letalsko in vojaško industrijo. Navsezadnje je tako vrhunsko področje, zlasti ameriško-sovjetska vesoljska tekma, sateliti, vesoljska plovila in programi pristankov na Luni v tistem obdobju, pritegnilo pozornost sveta.
Kompozitni materiali iz ogljikovih vlaken že dolgo uspešno prodirajo na različna področja športne opreme, športna oprema pa je tudi industrijski sektor za uporabo in razvoj ogljikovih vlaken po vesolju.
Kompozitni materiali iz ogljikovih vlaken so zaradi svoje majhne teže, visoke trdnosti in odlične odpornosti proti utrujenosti postali izbrani material v industriji športne opreme. Navdih za trg športne opreme iz ogljikovih vlaken prihaja od Jima Flooda iz Združenih držav, ki je znan kot Edison golfa. Leta 1972 je Jim Flood odkril, da lahko s palicami iz ogljikovih vlaken udarite žogice za golf 30 jardov dlje kot z železom. Pozneje so ogljikova vlakna promovirali v drugih športih kot nadomestek za kovinske materiale, kot so badminton, tenis, bejzbol, rolkanje, smučanje, kolesarjenje, veslanje, lokostrelstvo in drugi športi, pa tudi športi za prosti čas, kot je ribolov.
2. Prednosti kompozitnih materialov iz ogljikovih vlaken v športni opremi
Z napredkom družbe se življenjski slog ljudi nenehno izboljšuje. Šport je prodrl v življenje vsakega od nas. Zdrave in znanstvene metode treninga so prav tako v središču pozornosti ljudi. Zahteve po športni opremi so vse višje. Širi se tudi trg nove športne opreme, vse višje pa so tudi zahteve po materialih športne opreme. Zaradi prednosti ogljikovih vlaken v teži in trdnosti je to najprimernejši material za novo športno opremo. Posledično se ogljikova vlakna vedno pogosteje uporabljajo na področju športne opreme. Kakšne so prednosti ogljikovih vlaken v športni opremi:
(1) Majhna teža
Razen pri posebnih športih, ki zahtevajo težo, ko ljudje za vadbo uporabljajo športno opremo, lažja kot je športna oprema, tem bolje. Lahka teža lahko vadečim omogoči boljše delovanje, kot so teniški loparji, palice, kolesa, smuči itd. Tudi nekatera oprema, ki se za premikanje zanaša na moč, ki ni človeška, kot so dirkalni avtomobili in jadrnice, prav tako zahteva majhno težo, kar lahko zmanjša potrebe po energiji in prihrani gorivo. Ogljikova vlakna imajo v tem pogledu nenadomestljive prednosti.
(2) Dobre mehanske lastnosti
Drugi materiali ne morejo preseči specifične trdnosti in specifičnega modula materialov iz ogljikovih vlaken. Njegove edinstvene mehanske lastnosti ustrezajo potrebam športne opreme in so odlična izbira za športno opremo. Kompoziti iz ogljikovih vlaken so večinoma strjeni in oblikovani s smolo, kar lahko igra večjo vlogo pri načrtovanju obdelave.
(3) Varnost, higiena in varstvo okolja
Kompozitni materiali iz ogljikovih vlaken nimajo le številnih prednosti, ampak so tudi okolju prijazen material z zagotovljeno higieno in varnostjo. So novi materiali s posebnimi lastnostmi. Poleg dobrih mehanskih lastnosti, močne plastičnosti in visoke varnosti so tudi viri, ki jih je mogoče reciklirati. So zelo okolju prijazni in jih je enostavno reciklirati, hkrati pa zmanjšujejo stroške in varčujejo z viri. Te lastnosti bodo postale prednost kompozitnih materialov iz ogljikovih vlaken pri široki uporabi športne opreme.
(4) Visoka plastičnost
Plastičnost je eden od osnovnih pogojev za izdelavo športne opreme. Plastika in kompozitni materiali iz ogljikovih vlaken imajo določeno stopnjo plastičnosti. Plastiko in njene zlitine je mogoče obdelati in oblikovati na številne načine (pihanje, brizganje, ekstrudiranje, termooblikovanje itd.) in nato uporabiti za športno opremo. V primerjavi z drugimi običajnimi materiali imajo boljšo plastičnost. Z razvojem športne industrije v moji državi je mogoče materiale, ki se uporabljajo na področju športne opreme, obdelati na več načinov za izboljšanje učinkovitosti športne opreme.
(5) Dobra odpornost proti staranju
V dejanskih aplikacijah je športna oprema večinoma na prostem in nanjo zlahka vplivajo naravna okolja, kot so sončna svetloba in nevihte. Obenem ga lahko poškodujejo tudi snovi, kot so kisik, ozon in kisli plini v ozračju. Poleg tega bodo spremembe temperature povzročile staranje, razpoke, spremembe barve itd. športne opreme. Zato mora imeti športna oprema dobro odpornost proti koroziji in staranju, ko jo damo v uporabo, zlasti v okoljih na prostem. Zahteve v zvezi s tem so strožje. Če je odpornost proti staranju slaba, bo to resno vplivalo na življenjsko dobo opreme.
3. Uporaba kompozitnih materialov iz ogljikovih vlaken v izdelkih za šport in prosti čas
Uporabo športnih izdelkov iz ogljikovih vlaken lahko razdelimo v dve veliki smeri. Eden je tekmovalni šport, ki poudarja predvsem visoko natančnost, višje in hitrejše. Drugo pa sta vsakodnevni fitnes in prosti čas, ki zahtevata ustrezno razmerje med stroški in zmogljivostjo. Trenutno so izdelki z največjo porabo ogljikovih vlaken na področju športnih izdelkov:
(1) Kolesa
Jeklo je najdlje obstojen material za kolesa. Ima dobro elastičnost in nizke stroške, vendar je zaradi visoke gostote enostavno rjavenje in utrujenost. Aluminijeva zlitina je pogosto uporabljen material na trgu. Je lahek in ne bo rjavel, vendar je njegova elastičnost preslaba, zlahka se utrudi in udobje pri vožnji ni dobro. Gostota magnezijeve zlitine je manjša od gostote aluminijeve zlitine, njena osnovna zmogljivost pa je podobna gostoti aluminijeve zlitine. Odpornost proti utrujenosti titanove zlitine je boljša kot pri drugih kovinskih materialih, vendar je cena visoka in specifična teža ni ugodna. Kompozitni materiali iz ogljikovih vlaken imajo visoko trdnost, dobro elastičnost, gostoto svetlobe in odpornost proti koroziji. Kolesa, izdelana iz kompozitnih materialov iz ogljikovih vlaken, imajo naslednje lastnosti:
a. Učinkovito zmanjšajte skupno težo kolesa
Gostota kompozitnih materialov na osnovi smole iz ogljikovih vlaken je na splošno le 1,6. Je le ena petina jekla in lahko zmanjša težo za približno 40 % v primerjavi z aluminijem. V kolesarski industriji velja rek, da če se teža zmanjša za 1 g, se lahko cena poveča za 1 dolar. Kompozitni okvir kolesa iz ogljikovih vlaken je za četrtino lažji od okvirja iz aluminijeve zlitine. Majhna teža lahko zmanjša izgubo fizične energije in tako poveča hitrost vožnje.
b. Visoka splošna togost karoserije
Okvir z dobro togostjo spodbuja pretvorbo pogonske sile in izboljša vodljivost kolesa. Struktura kolesa iz ogljikovih vlaken je močna in je ni enostavno deformirati. Praksa je dokazala, da njegova togost okvirja ni manjša kot pri okvirju iz molibdenskega jekla.
c. Dobra odpornost na udarce
Naravna frekvenca strukture ni povezana samo s strukturno obliko, ampak tudi sorazmerna s kvadratom specifičnega modula materiala. Visoka naravna frekvenca lahko prepreči zgodnje poškodbe, ki jih povzroči resonanca v delovnih pogojih. Poročajo, da testi na okvirjih enake oblike in velikosti kažejo, da tresenje okvirja iz aluminijeve zlitine traja 9 sekund, da se ustavi, medtem ko kompozitni material iz ogljikovih vlaken z izjemno visoko naravno frekvenco potrebuje le 2,5 sekunde, da se ustavi. Dobro blaženje kompozitnega materiala zmanjša udarce kolesa in izboljša udobje pri vožnji.
d. Dobra varnost
Matrica v kompozitnih materialih iz ogljikovih vlaken je neprekinjena faza, ki obdaja neodvisna ogljikova vlakna in tvori dinamičen negotov sistem. Ob udarcu materiala, ko se zlomi majhno število vlaken, se obremenitev hitro prerazporedi na neprekinjena vlakna, tako da lahko struktura še naprej prenaša obremenitev, kar močno izboljša varnost vožnje. Težko je opaziti očitne znake odpovedi zaradi utrujenosti splošnih kovinskih materialov in njihova odpoved je pogosto nenadna, medtem ko imajo kompozitni okvirji iz ogljikovih vlaken zelo dobro odpornost proti utrujenosti in očitne znake je mogoče opaziti pred odpovedjo. Študije so pokazale, da lahko kompozitni okvirji iz ogljikovih vlaken prenesejo več kot milijon preskusov trčenja.
e. Večja svoboda strukturnega oblikovanja
Kompozitni materiali iz ogljikovih vlaken imajo značilnosti anizotropije. To lastnost kompozitnih materialov je mogoče uporabiti za razporeditev in polaganje vlaken glede na smer in velikost obremenitve kolesa med vožnjo. Fleksibilnost izdelave kompozitnih materialov omogoča oblikovanje struktur različnih oblik. Na primer, poenostavljena kolesa je mogoče oblikovati v skladu z aerodinamičnimi načeli, ki so lepa in praktična ter zlahka dosežejo najboljšo stroškovno učinkovitost. f. Dobra odpornost proti koroziji
Polimerni materiali so dobro odporni na kisline, alkalije in industrijsko atmosfero, zato so okvirji koles iz kompozitnih materialov iz ogljikovih vlaken odlično odporni na kislinsko in alkalno korozijo.
Francoski proizvajalec športnih avtomobilov Bugatti in nizozemski proizvajalec koles PG sta skupaj izdala najlažje kolo na svetu. Dizajn kolesa se zgleduje po Bugattijevem športnem dirkalniku Chiron. Narejen je iz kompozitnih materialov iz ogljikovih vlaken in tehta le 11 funtov (približno 4,99 kg). Po poročanju American Architectural Digest je 95 % kolesa izdelanega iz kompozitnih materialov iz ogljikovih vlaken.
Češka tehnična univerza v Pragi uporablja samodejni postopek navijanja vlaken v kombinaciji s tehnologijo integrirane zanke (ILT), razvito s povezavo neprekinjenih vlaknenih cevi, za izdelavo okvirjev koles in povezanih sestavnih delov. ILT je postopek, ki združuje strukturne kompozitne elemente (kot so cevi in povezovalni deli). Vsi deli so oblikovani v enem kosu in nato sestavljeni.
(2) Ribiške palice
Za ljubitelje ribolova, kako ocenite, katera ribiška palica je najboljša? Če povzamemo, odraža predvsem tri točke: tanek, lahek in močan. Zato mora visoko zmogljiva ribiška palica izpolnjevati dve lastnosti: visoko togost in majhno težo.
S pojavom in razvojem ogljikovih vlaken zagotavlja visoko specifično trdnost in visok specifični modul za ribiške palice, zaradi česar so te ribiške palice vedno lažje. Zato se današnje ribiške palice v osnovi imenujejo "ribiške palice iz ogljikovih vlaken".
Ribiške palice iz kompozitnih materialov, ojačanih s karbonskimi vlakni, so veliko lažje od GFRP izdelkov ali plastike, kar pri izvleku palice porabi manj energije, razdalja izvleka palice pa je približno 20% daljša od slednje. Ribiške palice iz CFRP so dolge in dobre, z visoko togostjo. Ribiške palice si lahko po upogibanju hitro opomorejo, zaradi česar so bolj občutljive na dovajanje vabe. Iz plastike, ojačane z ogljikovimi vlakni, je mogoče izdelati tudi tuljave ribiškega orodja, ki tehtajo največ 140 gramov, vendar imajo visoko odpornost na utrujenost in trenje, zato imajo dolgo življenjsko dobo.
Prednosti kompozitnih ribiških palic iz ogljikovih vlaken
Zaradi svoje lahke teže in visoke togosti je zelo cenjen. V procesu ribolova se prednosti ribiških palic iz ogljikovih vlaken odražajo v naslednjih vidikih:
·Ker so ribiške palice iz ogljikovih vlaken lažje in tanjše, jih je mogoče enostavno upravljati z eno roko;
·Zaradi majhne teže lahko uporabnikom prepreči občutek utrujenosti;
·Ogljikova vlakna lahko podaljšajo ribiške palice, daljše ribiške palice pa pomenijo, da je mogoče pokriti širše ribolovno območje;
·Ribiške palice iz ogljikovih vlaken so bolj občutljive na ribe;
Ribiške palice iz ogljikovih vlaken so iz leta v leto vse bolj navduševale ribiče, s temi ribiškimi palicami iz ogljikovih vlaken pa je ribolov postal priljubljena zabavna dejavnost in ne osnovni šport, kar je nedvomno ustvarilo nov trg za področje ogljikovih vlaken.
(3) Teniški loparji in loparji za badminton
Trend razvoja teniških loparjev je, da postajajo večji in lažji. Trenutno je večina teniških loparjev višjega in srednjega razreda na svetu izdelanih iz kompozitnih materialov iz ogljikovih vlaken. Veliki teniški loparji morajo biti izdelani iz kompozitnih materialov iz ogljikovih vlaken z majhno težo, visoko specifično trdnostjo in visokim specifičnim modulom. Zdržijo močnejšo napetost strune kot okvirji lesenih loparjev, kar zagotavlja, da se ob udarcu žogice ne deformirajo. Kompozitni materiali iz ogljikovih vlaken z dobrimi lastnostmi dušenja tresljajev športnikom ne dajejo le občutka udobja, ampak tudi omogočajo, da teniška žogica doseže večjo začetno hitrost.
Teniški loparji iz kompozitnih materialov so lahki in močni, z visoko togostjo in nizko obremenitvijo, kar lahko zmanjša odstopanje, ko se žogica dotakne loparja. Hkrati ima CFRP dobre dušilne lastnosti, ki lahko podaljšajo kontaktni čas med vrvico in žogico, kar omogoča teniški žogici večji pospešek. Na primer, kontaktni čas lesenih loparjev je 4,33 milisekunde, jeklenih izdelkov 4,09 milisekunde in CFRP 4,66 milisekunde. Ustrezne začetne hitrosti žoge so 1,38 km/h, 149,6 km/h in 157,4 km/h.
Za badmintonske loparje, izdelane iz kompozitnih materialov, ojačenih z ogljikovimi vlakni (CFRP), je značilna majhna teža, visoka togost in izogibanje zlomu ročaja zaradi nezadostne togosti lesenih izdelkov. Imajo tudi funkcijo zmanjševanja tresljajev in dobro odpornost, kar omogoča dolgo udarno in vračalno razdaljo ter visoko natančnost pri pristanku žoge.
(4) Palice za golf
Leta 1972 so Združene države prvič uporabile kompozitne materiale iz ogljikovih vlaken za izdelavo palic za golf. Do leta 1998 je število golf palic iz ogljikovih vlaken močno preseglo število jeklenih palic. Palice za golf so sestavljene iz ročaja, droga in glave. Palice za golf iz kompozitnih materialov iz ogljikovih vlaken lahko zmanjšajo težo za približno 10 % do 40 %. V skladu z zakonom o ohranitvi gibalne količine, ko je skupna teža palice za golf konstantna, lahko težka glava in lahka gred povečata hitrost zamaha in žogici omogočita večjo začetno hitrost. Poleg tega imajo kompozitni materiali iz ogljikovih vlaken visoke lastnosti dušenja, kar lahko podaljša čas udarca in omogoči, da žoga udari dlje.
(5) Kajak
Uporaba kevlarja, aramidnega vlakna, ki se običajno uporablja na področju neprebojnosti, na kajaku lahko zagotovi, da je dobro strukturiran čoln odporen proti pokanju in lomljenju. Ko se materiali iz grafena in ogljikovih vlaken uporabljajo v trupih kanujev in čolnov, lahko ne le povečajo tekalno moč trupa in zmanjšajo težo, temveč tudi povečajo drsno razdaljo.
(6) Dirkalni avtomobili
V osemdesetih letih prejšnjega stoletja, ko je ekipa McLaren F1 za izdelavo svoje dirkalne šasije uporabljala materiale iz ogljikovih vlaken, so bili njihovi dirkalniki daleč pred konkurenco. Posledično so druge ekipe posnemale McLarnov pristop, nato pa so ga uporabili za različne superšportnike, visokozmogljive avtomobile in civilne avtomobile.
Trenutno je uporaba ogljikovih vlaken v avtomobilski industriji v glavnem razdeljena na dve vrsti: suho in mokro. Med njimi imajo suha ogljikova vlakna manj ostankov smole med proizvodnjo, oblikovani deli pa so močnejši in dražji, zato jih veliko uporabljajo glavne super luksuzne znamke.
Vsebnost smole v mokrih ogljikovih vlaknih je višja, zato so veliko cenejša od suhih ogljikovih vlaken v smislu trdnosti komponent in stroškov izdelave. Ne glede na to, ali gre za suha ali mokra ogljikova vlakna, ima boljše delovanje kot običajni materiali.
Karoserija Ares AMR Pro uporablja posebno fluorescentno zeleno barvo, dodana pa je tudi okrasna plošča iz ogljikovih vlaken, ki lahko vidi razporeditev ogljikovih vlaken. Linije celotnega avtomobila so bolj vitke, stranska zunanja ogledala pa so spremenjena v bolj aerodinamičen dizajn. Zadnji del sprednjega blatnika uporablja večdelno prezračevalno odprtino za boljše usmerjanje zraka v kolesni lok. Stranski pragovi, ki so skoraj blizu tal, so povezani z obrvmi sprednjega in zadnjega kolesa. Tudi dizajn vrat v obliki galebjih kril je zelo očarljiv. 20--palčna sprednja kolesa in 21--palčna zadnja kolesa so opremljena s širokimi ravnimi pnevmatikami in zavornimi sistemi iz keramičnih ogljikovih vlaken Rembo, zaradi česar je celoten avto videti lepši.
Tudi notranjost je kopirala klasično zasnovo dirkalnika Formule 1 F1. Zaradi integriranega kokpita iz ogljikovih vlaken je celoten avtomobil bolj tog. Streha, kokpit in podvozje imajo vgrajeno zasnovo iz ogljikovih vlaken. Trdnost celotnega avtomobila je močnejša, povratne informacije s ceste pa bolj resnične in pozitivne. Velika površina semiša je podoben izpostavljenemu materialu iz ogljikovih vlaken. Sredinska konzola je opremljena z zaobljenim pravokotnim volanom. Na sredini volana je LCD zaslon za prikaz osnovnih informacij o vozilu. Dva obešena LCD zaslona sta nagnjena proti voznikovi strani. Enodelni dirkalni sedež iz ogljikovih vlaken je lahek in lahko nudi tudi boljše ovijanje in podporo vozniku.
Z enodelno zasnovo iz ogljikovih vlaken je togost celotnega vozila močnejša, povratne informacije s ceste pa bolj resnične in pozitivne. Velika površina semiša je podoben izpostavljenemu materialu iz ogljikovih vlaken. Sredinska konzola je opremljena z zaobljenim pravokotnim volanom. Na sredini volana je LCD zaslon za prikaz osnovnih informacij o vozilu. Dva obešena LCD zaslona sta nagnjena proti voznikovi strani. Enodelni dirkalni sedež iz ogljikovih vlaken je lahek in lahko nudi tudi boljše ovijanje in podporo vozniku.
