1.Szénszálas kompozit anyagok alkalmazása a sport és szabadidő területén és a főbb gyártási folyamatokban
A szénszál sporttermékekben való alkalmazása az 1970-es években kezdődött. Akkoriban mindenki az űrre és a hadiiparra koncentrált. Hiszen egy ilyen csúcskategóriás terület, különösen az amerikai-szovjet űrverseny, a műholdak, az űrhajók és a holdraszállási programok ebben az időszakban felkeltették a világ figyelmét.
A szénszálas kompozit anyagok hosszú ideje sikeresen behatoltak a sportszerek különböző területeibe, és a sportszerek is a szénszálak repülés utáni alkalmazásának és fejlesztésének ipari ágazata.
A szénszálas kompozit anyagok könnyű súlyuk, nagy szilárdságuk és kiváló fáradtságállóságuk miatt a sportszeriparban a választott anyagokká váltak. A szénszálas sportszerek piacának ihletője az egyesült államokbeli Jim Floodtól származik, akit a golf Edisonjaként ismernek. 1972-ben Jim Flood felfedezte, hogy szénszálas ütők használatával a golflabdákat 30 méterrel messzebbre lehet ütni, mint a vasakat. Ezt követően a szénszálat más sportágakban is népszerűsítették a fémanyagok helyettesítőjeként, mint például a tollaslabda, tenisz, baseball, gördeszka, síelés, kerékpározás, evezés, íjászat és más sportok, valamint a szabadidős sportok, például a horgászat.
2. A szénszálas kompozit anyagok előnyei a sporteszközökben
A társadalom fejlődésével az emberek életmódja folyamatosan javul. A sport mindannyiunk életébe behatolt. Az egészséges és tudományos edzésmódszerek is az emberek figyelmének középpontjában állnak. Egyre magasabbak a követelmények a sporteszközökkel szemben. Bővül az új sporteszközök piaca is, és egyre magasabbak a követelmények a sporteszközök anyagaival szemben is. A szénszál előnyei súlyban és szilárdságban az új sportfelszerelések kedvelt anyagává teszik. Ennek eredményeként a szénszálat egyre szélesebb körben használják a sportfelszerelések területén. Melyek a szénszál előnyei a sportfelszerelésekben:
(1) Könnyű súly
A speciális, súlyt igénylő sportok kivételével, amikor az emberek sporteszközöket használnak edzéshez, annál könnyebb a sporteszköz, annál jobb. A könnyű súly lehetővé teszi az edzők számára, hogy jobb teljesítményt nyújtsanak, például teniszütők, klubok, kerékpárok, sílécek stb. Még néhány olyan felszerelés is, amely nem emberi erőre támaszkodik a mozgáshoz, például a versenyautók és a vitorlások, szintén kis súlyt igényel. amely csökkentheti az energiaigényt és üzemanyagot takaríthat meg. A szénszálnak e tekintetben pótolhatatlan előnyei vannak.
(2) Jó mechanikai tulajdonságok
A szénszálas anyagok fajlagos szilárdságát és fajlagos modulusát más anyagok nem tudják felülmúlni. Egyedülálló mechanikai tulajdonságai éppen megfelelnek a sporteszközök igényeinek, és kiváló választás a sporteszközökhöz. A szénszálas kompozitokat főként gyantával térhálósítják és öntik, amelyek nagyobb szerepet játszhatnak a feldolgozás tervezésében.
(3) Biztonság, higiénia és környezetvédelem
A szénszálas kompozit anyagok nemcsak számos előnnyel rendelkeznek, hanem környezetbarát anyagok is, garantált higiéniával és biztonsággal. Ezek különleges tulajdonságokkal rendelkező új anyagok. A jó mechanikai tulajdonságok, az erős plaszticitás és a nagy biztonság mellett újrahasznosítható erőforrások is. Rendkívül környezetbarátak és könnyen újrahasznosíthatók, miközben csökkentik a költségeket és erőforrásokat takarítanak meg. Ezek a jellemzők a szénszálas kompozit anyagok előnyeivé válnak a sportfelszerelések széles körű használatában.
(4) Nagy plaszticitás
A plaszticitás a sporteszközök gyártásának egyik alapfeltétele. A műanyagok és a szénszálas kompozit anyagok bizonyos fokú plaszticitással rendelkeznek. A műanyagok és ötvözeteik sokféleképpen feldolgozhatók, formázhatók (fúvással, fröccsöntéssel, extrudálással, hőformázással stb.), majd a sporteszközökön alkalmazhatók. Más szokásos anyagokkal összehasonlítva jobb plaszticitásúak. Hazám sportiparának fejlődésével a sportfelszerelések területén alkalmazott anyagok több módon feldolgozhatók a sporteszközök teljesítményének javítása érdekében.
(5) Jó öregedésállóság
A tényleges alkalmazásokban a sporteszközök többnyire a szabadban vannak, és könnyen befolyásolják őket a természetes környezet, például a napfény és a zivatar. Ugyanakkor a légkörben lévő anyagok, például oxigén, ózon és savas gázok is károsíthatják azt. Ezenkívül a hőmérséklet változása a sporteszközök öregedését, repedéseit, színváltozásait stb. Ezért a sporteszközöknek jó korrózióállósággal és öregedésállósággal kell rendelkezniük, amikor használatba veszik őket, különösen szabadtéri környezetben. E tekintetben a követelmények szigorúbbak. Ha az öregedésállóság gyenge, az súlyosan befolyásolja a berendezés élettartamát.
3. Szénszálas kompozit anyagok alkalmazása sport- és szabadidős termékekben
A szénszálas sporttermékek alkalmazása két nagy irányra osztható. Az egyik a versenysport, amely elsősorban a nagy pontosságot, magasabbat és gyorsabbat helyezi előtérbe. A másik a napi fitnesz és szabadidő, amely megfelelő költség-teljesítmény arányt igényel. Jelenleg a sporttermékek területén a legnagyobb szénszál-fogyasztású termékek a következők:
(1) Kerékpárok
Az acél a kerékpárok leghosszabb élettartamú anyaga. Jó rugalmassággal és alacsony költséggel rendelkezik, de nagy sűrűsége miatt könnyen rozsdásodik és elfárad. Az alumíniumötvözet egy gyakran használt anyag a piacon. Könnyű és nem rozsdásodik, de túl gyenge a rugalmassága, könnyen kifárasztható, a menetkényelem sem jó. A magnéziumötvözet sűrűsége kisebb, mint az alumíniumötvöté, és alapvető teljesítménye hasonló az alumíniumötvözetéhez. A titánötvözet fáradtságállósága jobb, mint más fémanyagoké, de az ára magas, a fajsúly pedig nem előnyös. A szénszálas kompozit anyagok nagy szilárdsággal, jó rugalmassággal, könnyű sűrűséggel és korrózióállósággal rendelkeznek. A szénszálas kompozit anyagokból készült kerékpárok a következő jellemzőkkel rendelkeznek:
a. Hatékonyan csökkenti a kerékpár összsúlyát
A szénszálas gyanta alapú kompozit anyagok sűrűsége általában csak 1,6. Csak az acél egyötöde, és az alumíniumhoz képest körülbelül 40%-kal csökkentheti a tömegét. A kerékpáriparban az a mondás járja, hogy ha 1g-mal csökkentik a súlyt, akkor 1 dollárral növelhető az ár. A szénszálas kompozit kerékpárváz egynegyedével könnyebb, mint egy alumíniumötvözet váz. A könnyű súly csökkentheti a fizikai energiaveszteséget, és ezáltal növelheti a lovaglási sebességet.
b. A test magas általános merevsége
A jó merevségű váz elősegíti a hajtóerő átalakítását és javítja a kerékpár kezelhetőségét. A szénszálas kompozit kerékpár szerkezete erős és nem könnyen deformálható. A gyakorlat bebizonyította, hogy a váz merevsége nem kisebb, mint a molibdén acél vázé.
c. Jó ütésállóság
A szerkezet sajátfrekvenciája nemcsak a szerkezeti alakhoz kapcsolódik, hanem arányos az anyag fajlagos modulusának négyzetével is. A magas természetes frekvencia elkerülheti a munkakörülmények között a rezonancia által okozott korai károkat. A jelentések szerint az azonos alakú és méretű kereteken végzett tesztek azt mutatják, hogy az alumíniumötvözet váz rezgése 9 másodperc alatt áll le, míg a rendkívül magas természetes frekvenciájú szénszálas kompozit anyagé mindössze 2,5 másodperc alatt áll le. A kompozit anyag jó csillapítása csökkenti a kerékpár ütéseit és javítja a vezetési kényelmet.
d. Jó biztonság
A szénszálas kompozit anyagok mátrixa egy folyamatos fázis, amely független szénszálakat vesz körül, dinamikus bizonytalan rendszert alkotva. Ha az anyag ütközik, amikor kis számú szál eltörik, a terhelés gyorsan újra eloszlik a töretlen szálakon, így a szerkezet továbbra is bírja a terhelést, nagymértékben javítva a lovaglás biztonságát. Az általános fémanyagok kifáradási tönkremenetelének nyilvánvaló jelei nehezen észlelhetők, tönkremenetelük gyakran hirtelen következik be, míg a szénszálas kompozit kereteknél nagyon jó a fáradásállóság, és már a meghibásodás előtt is szembetűnő jelek figyelhetők meg. Tanulmányok kimutatták, hogy a szénszálas kompozit keretek több mint egymillió ütközési tesztet is kibírnak.
e. A szerkezettervezés nagyobb szabadsága
A szénszálas kompozit anyagok az anizotrópia jellemzőivel rendelkeznek. A kompozit anyagoknak ez a tulajdonsága felhasználható a szálak elrendezésére és fektetésére a kerékpárra ható terhelés irányának és méretének megfelelően vezetés közben. A kompozit anyaggyártás rugalmassága kedvez a különféle formájú szerkezetek tervezésének. Például az áramvonalas kerékpárokat aerodinamikai elvek szerint lehet megtervezni, amelyek szépek és praktikusak, és könnyen elérhetők a legjobb költséghatékonyság. f. Jó korrózióállóság
A polimer anyagok jól ellenállnak a savnak, lúgnak és ipari légkörnek, így a szénszálas kompozit anyagokból készült kerékpárvázak kiválóan ellenállnak a savas és lúgos korróziónak.
A francia Bugatti sportautó-gyártó és a holland PG kerékpárgyártó közösen kiadta a világ legkönnyebb kerékpárját. A kerékpár dizájnját a Bugatti Chiron sportversenyautója ihlette. Szénszálas kompozit anyagokból készült, súlya mindössze 11 font (körülbelül 4,99 kg). Az American Architectural Digest szerint a kerékpárok 95%-a szénszálas kompozit anyagokból készül.
A prágai Cseh Műszaki Egyetem automatikus száltekercselési eljárást alkalmaz, amelyet a folyamatos szálas csőcsatlakozással kifejlesztett integrált huroktechnológiával (ILT) kombinálva állít elő kerékpárvázakat és kapcsolódó alkatrészeket. Az ILT olyan folyamat, amely szerkezeti kompozit elemeket (például csöveket és összekötő részeket) kombinál. Minden alkatrészt egy darabból alakítanak ki, majd összeszerelik.
(2) Horgászbotok
A horgászat szerelmesei hogyan ítélik meg, melyik horgászbot a legjobb? Összefoglalva, elsősorban három pontot tükröz: vékony, könnyű és erős. Ezért egy nagy teljesítményű horgászbotnak két jellemzőnek kell megfelelnie: nagy merevségnek és könnyű súlynak.
A szénszál megjelenésével és fejlődésével nagy fajlagos szilárdságot és magas fajlagos modulust biztosít a horgászbotoknak, így ezek a horgászbotok egyre könnyebbek és könnyebbek. Ezért a mai horgászbotokat alapvetően "szénszálas horgászbotoknak" nevezik.
A szénszál erősítésű kompozit anyagokból készült horgászbotok jóval könnyebbek, mint a GFRP termékek vagy a műanyagok, amelyek kevesebb energiát fogyasztanak a bot kihúzásakor, és a bot kihúzási távolsága körülbelül 20%-kal messzebb van, mint az utóbbié. A CFRP-ből készült horgászbotok hosszúak és jók, nagy merevséggel rendelkeznek. A horgászbotok a hajlítás után gyorsan felépülhetnek, így érzékenyebbek a csali szállítására. A szénszál erősítésű műanyagokból horgászfelszerelés tekercsek is készíthetők, amelyek tömege nem haladja meg a 140 grammot, de nagy a kifáradási szilárdsága és a súrlódási ellenállása, így hosszú élettartamúak.
A szénszálas kompozit horgászbotok előnyei
Könnyű súlya és nagy merevsége miatt széles körben dicsérik. A horgászfolyamat során a szénszálas horgászbotok előnyei a következő szempontokban jelennek meg:
·Mivel a szénszálas horgászbotok könnyebbek és vékonyabbak, egy kézzel is könnyen kezelhetők;
· Könnyű súlya miatt megakadályozhatja a felhasználók fáradtságát;
·A szénszál hosszabbíthatja a horgászbotokat, a hosszabb horgászbotok pedig azt jelentik, hogy szélesebb horgászterületet lehet lefedni;
·A szénszálas horgászbotok érzékenyebbek a halakra;
A szénszálas horgászbotok évről évre egyre lelkesebbé teszik a horgászokat, és ezek a szénszálas horgászbotok a horgászatot is inkább szórakoztató tevékenységgé tették, mint alapsporttá, ami kétségtelenül új piacot teremtett a szénszálas területnek.
(3) Teniszütők és tollaslabda ütők
A teniszütők fejlesztési trendje a nagyobb és könnyebbé válás. Jelenleg a világon a legtöbb csúcs- és középkategóriás teniszütő szénszálas kompozit anyagokból készül. A nagy teniszütőknek könnyű súlyú, nagy fajlagos szilárdságú és nagy fajlagos modulusú szénszálas kompozit anyagokból kell készülniük. A fából készült ütőkereteknél erősebb húrfeszülést bírnak el, hogy ne deformálódjanak el a labda elütésekor. A jó rezgéscsillapító tulajdonságokkal rendelkező szénszálas kompozit anyagok nemcsak komfortérzetet adnak a sportolóknak, hanem lehetővé teszik a teniszlabda nagyobb kezdeti sebességének elérését is.
A kompozit anyagokból készült teniszütők könnyűek és erősek, nagy merevséggel és alacsony igénybevétellel rendelkeznek, ami csökkentheti az eltérést, amikor a labda érintkezik az ütővel. Ugyanakkor a CFRP jó csillapítási tulajdonságokkal rendelkezik, ami meghosszabbíthatja a húr és a labda közötti érintkezési időt, lehetővé téve a teniszlabda nagyobb gyorsulását. Például a fa ütők érintkezési ideje 4,33 ezredmásodperc, az acéltermékeké 4,09, a CFRP-é pedig 4,66 milliszekundum. A golyó megfelelő kezdeti sebessége 1,38 km/h, 149,6 km/h, illetve 157,4 km/h.
A szénszál-erősítésű kompozit anyagokból (CFRP) készült tollaslabda ütőket a könnyű súly, a nagy merevség és a fatermékek elégtelen merevsége miatti fogantyútörések elkerülése jellemzi. Rezgéscsökkentő funkcióval és jó ellenálló képességgel is rendelkeznek, ami hosszú ütési és visszatérési távolságokat és nagy labdaleszállási pontosságot tesz lehetővé.
(4) Golfütők
1972-ben az Egyesült Államokban először használtak szénszálas kompozit anyagokat golfütők gyártásához. 1998-ra a szénszálas golfütők száma messze meghaladta az acélütőkét. A golfütők markolatból, szárból és fejből állnak. A szénszálas kompozit anyagokból készült golfütők körülbelül 10-40%-kal csökkenthetik a súlyukat. Az impulzusmegmaradás törvénye szerint, ha a golfütő össztömege állandó, a nehéz fej és a könnyű szár növelheti a lendítési sebességet, és lehetővé teszi a labda nagyobb kezdeti sebességét. Ezenkívül a szénszálas kompozit anyagok magas csillapítási tulajdonságokkal rendelkeznek, amelyek meghosszabbíthatják az ütési időt, és lehetővé teszik a labda távolabbi elütését.
(5) Kajak
A golyóálló területen általánosan használt kevlar, a golyóálló területen használt aramidszál használatával egy kajakon biztosítható, hogy a jól felépített csónak ellenálljon a repedésnek és törésnek. Ha grafént és szénszálas anyagokat használnak kenukban és csónaktestekben, akkor nem csak a hajótest futási szilárdságát növelik és csökkentik a súlyt, hanem növelik a siklási távolságot is.
(6) Versenyautók
Az 1980-as években, amikor a McLaren F1-es csapat szénszálas anyagokat használt a versenyalváz építéséhez, versenyautóik messze megelőzték a versenytársakat. Ennek eredményeként a McLaren megközelítését más csapatok utánozták, majd visszacsatolták a különféle szuperautókba, nagy teljesítményű autókba és civil autókba.
Jelenleg az autóiparban a szénszál alkalmazása két típusra oszlik: szárazra és nedvesre. Közülük a száraz szénszálban kevesebb gyanta marad a gyártás során, a fröccsöntött részek pedig erősebbek és drágábbak, ezért széles körben használják a nagy szuper luxusmárkák.
A nedves szénszál gyantatartalma magasabb, így az alkatrész szilárdsága és gyártási költsége szempontjából sokkal olcsóbb, mint a száraz szénszál. De akár száraz, akár nedves szénszálról van szó, jobb teljesítményt nyújt, mint a hagyományos anyagok.
Az Ares AMR Pro teste speciális fluoreszkáló zöld festéket használ, és egy szénszálas dekorációs panelt is hozzáadott, amelyen látható a szénszálak elrendezése. Az egész autó vonalai karcsúbbak, az oldalsó külső tükrök pedig aerodinamikusabb kialakítást kaptak. Az első sárvédő hátulja több darabból álló szellőzőnyílást használ, hogy jobban irányítsa a levegőt a kerékívben. A szinte talajhoz közeli oldalszoknyák az első és a hátsó kerék szemöldökéhez kapcsolódnak. A sirályszárnyas ajtó kialakítása is nagyon elbűvölő. Az 20-hüvelykes első és a 21-hüvelykes hátsó kerekek lapos, széles gumiabroncsokkal és rembo kerámia szénszálas fékrendszerrel vannak felszerelve, így az egész autó szebbé válik.
A belső tér is lemásolta az F1-es Forma-1-es versenyautó klasszikus dizájnját. Az integrált szénszálas pilótafülke merevebbé teszi az egész autót. A tető, a pilótafülke és az alváz szénszálas integrált kialakítású. Az egész autó merevsége erősebb, az út visszajelzése valósabb és pozitívabb. A nagy felületű velúr anyag visszaadja a szabaddá tett szénszálas anyagot. A középkonzol lekerekített téglalap alakú kormánykerékkel van felszerelve. A kormánykerék közepén egy LCD kijelző található, amely a jármű alapvető információit jeleníti meg. A két felfüggesztett LCD-képernyő a vezető oldala felé van döntve. Az egyrészes szénszálas versenyülés könnyű, és jobb burkolatot és támasztást biztosít a vezetőnek.
Az egyrészes szénszálas kialakításnak köszönhetően az egész jármű merevsége erősebb, az út visszajelzése pedig valóságosabb és pozitívabb. A nagy felületű velúr anyag visszaadja a szabaddá tett szénszálas anyagot. A középkonzol lekerekített téglalap alakú kormánykerékkel van felszerelve. A kormánykerék közepén egy LCD kijelző található, amely a jármű alapvető információit jeleníti meg. A két felfüggesztett LCD-képernyő a vezető oldala felé van döntve. Az egyrészes szénszálas versenyülés könnyű, és jobb burkolatot és támasztást biztosít a vezetőnek.
