1. Primjena kompozitnih materijala od ugljičnih vlakana u području sporta i slobodnog vremena te glavni proizvodni procesi
Primjena karbonskih vlakana u sportskim proizvodima započela je 1970-ih. U to su se vrijeme svi fokusirali na zrakoplovnu i vojnu industriju. Naposljetku, takvo vrhunsko područje, posebno američko-sovjetska svemirska utrka, sateliti, svemirske letjelice i programi slijetanja na Mjesec tijekom tog razdoblja, privukli su pozornost svijeta.
Dugo su vremena kompozitni materijali od ugljičnih vlakana uspješno prodrli u razna područja sportske opreme, a sportska roba također je industrijski sektor za primjenu i razvoj ugljičnih vlakana nakon zrakoplovstva.
Kompozitni materijali od karbonskih vlakana postali su izbor materijala u industriji sportske opreme zbog svoje male težine, velike čvrstoće i izvrsne otpornosti na zamor. Inspiracija za tržište sportske opreme od karbonskih vlakana dolazi od Jima Flooda iz Sjedinjenih Država, koji je poznat kao Edison golfa. Godine 1972. Jim Flood otkrio je da palice od karbonskih vlakana mogu pogoditi golf loptice 30 jardi dalje od željeza. Nakon toga, karbonska vlakna su promovirana u drugim sportovima kao zamjena za metalne materijale, kao što su badminton, tenis, bejzbol, skateboarding, skijanje, biciklizam, veslanje, streličarstvo i drugi sportovi, kao i sportovi za slobodno vrijeme kao što je ribolov.
2. Prednosti kompozitnih materijala od karbonskih vlakana u sportskoj opremi
S napretkom društva, životni stil ljudi se stalno poboljšava. Sport je ušao u živote svakog od nas. Zdrave i znanstvene metode treninga također su u središtu pozornosti ljudi. Zahtjevi za sportskom opremom su sve veći i veći. Širi se i tržište nove sportske opreme, a sve su veći i zahtjevi za materijalima sportske opreme. Prednosti karbonskih vlakana u težini i čvrstoći čine ih preferiranim materijalom za novu sportsku opremu. Kao rezultat toga, karbonska vlakna se sve više koriste u području sportske opreme. Koje su prednosti karbonskih vlakana u sportskoj opremi:
(1) Mala težina
Osim za posebne sportove koji zahtijevaju težinu, kada ljudi koriste sportsku opremu za vježbanje, što je sportska oprema lakša, to bolje. Mala težina može omogućiti vježbačima bolje performanse, kao što su teniski reketi, palice, bicikli, skije, itd. Čak i neka oprema koja se oslanja na snagu koja nije ljudska snaga da bi ih pokrenula, kao što su trkaći automobili i jedrilice, također zahtijeva malu težinu, što može smanjiti zahtjeve za snagom i uštedjeti gorivo. Karbonska vlakna u tom smislu imaju nezamjenjive prednosti.
(2) Dobra mehanička svojstva
Specifična čvrstoća i specifični modul materijala od karbonskih vlakana ne mogu se nadmašiti drugim materijalima. Njegova jedinstvena mehanička svojstva upravo zadovoljavaju potrebe sportske opreme i odličan su izbor za sportsku opremu. Kompoziti od ugljičnih vlakana uglavnom su polimerizirani smolom i oblikovani, što može igrati veću ulogu u dizajnu obrade.
(3) Sigurnost, higijena i zaštita okoliša
Kompozitni materijali od karbonskih vlakana ne samo da imaju mnoge prednosti, već su i ekološki prihvatljivi materijali sa zajamčenom higijenom i sigurnošću. To su novi materijali s posebnim svojstvima. Osim dobrih mehaničkih svojstava, jake plastičnosti i visoke sigurnosti, oni su također resursi koji se mogu reciklirati. Vrlo su ekološki prihvatljivi i lako se recikliraju, a istovremeno smanjuju troškove i štede resurse. Ove će karakteristike postati prednosti kompozitnih materijala od karbonskih vlakana u širokoj upotrebi sportske opreme.
(4) Visoka plastičnost
Plastičnost je jedan od osnovnih uvjeta za izradu sportske opreme. Plastika i kompozitni materijali od karbonskih vlakana imaju određeni stupanj plastičnosti. Plastika i njezine legure mogu se prerađivati i oblikovati na mnogo načina (puhanje, injekcijsko prešanje, ekstruzija, termooblikovanje, itd.), a zatim primijeniti na sportsku opremu. U usporedbi s drugim uobičajenim materijalima, imaju bolju plastičnost. S razvojem sportske industrije u mojoj zemlji, materijali koji se primjenjuju na području sportske opreme mogu se obraditi na više načina kako bi se poboljšale performanse sportske opreme.
(5) Dobra otpornost na starenje
U stvarnim primjenama, sportska oprema je uglavnom na otvorenom i lako je pod utjecajem prirodnih okruženja kao što su sunčeva svjetlost i grmljavinska oluja. Istodobno, tvari kao što su kisik, ozon i kiseli plinovi u atmosferi također ga mogu oštetiti. Osim toga, promjene temperature uzrokovat će starenje, pukotine, promjene boje itd. sportske opreme. Stoga sportska oprema mora imati dobru otpornost na koroziju i starenje kada se stavlja u uporabu, posebno u okruženjima na otvorenom. Zahtjevi u tom pogledu su stroži. Ako je otpornost na starenje slaba, to će ozbiljno utjecati na vijek trajanja opreme.
3. Primjena kompozitnih materijala od karbonskih vlakana u proizvodima za sport i slobodno vrijeme
Primjena sportskih proizvoda od karbonskih vlakana može se podijeliti u dva glavna smjera. Jedan je natjecateljski sport, koji uglavnom naglašava visoku preciznost, više i brže. Drugi je dnevni fitness i slobodno vrijeme, što zahtijeva odgovarajući omjer cijene i učinka. Trenutno su proizvodi s najvećom potrošnjom karbonskih vlakana u području sportskih proizvoda:
(1) Bicikli
Čelik je najdugovječniji materijal za bicikle. Ima dobru elastičnost i nisku cijenu, ali zbog velike gustoće lako hrđa i zamara se. Aluminijska legura je često korišten materijal na tržištu. Lagan je i neće hrđati, ali mu je preslaba elastičnost, lako se zamara, a udobnost vožnje nije dobra. Gustoća magnezijeve legure je manja od one aluminijske legure, a njezina je osnovna izvedba slična onoj aluminijske legure. Otpornost na zamor legure titana je bolja nego kod drugih metalnih materijala, ali cijena je visoka, a specifična težina nije povoljna. Kompozitni materijali od karbonskih vlakana imaju visoku čvrstoću, dobru elastičnost, gustoću svjetlosti i otpornost na koroziju. Bicikli proizvedeni od kompozitnih materijala od karbonskih vlakana imaju sljedeće karakteristike:
a. Učinkovito smanjite ukupnu težinu bicikla
Gustoća kompozitnih materijala na bazi smole ugljičnih vlakana općenito je samo 1,6. Sastoji se od samo jedne petine čelika i može smanjiti težinu za oko 40% u usporedbi s aluminijem. U industriji bicikala postoji izreka da ako se težina smanji za 1g, cijena se može povećati za 1 dolar. Kompozitni okvir bicikla od karbonskih vlakana za jednu je četvrtinu lakši od okvira od aluminijske legure. Mala težina može smanjiti gubitak fizičke energije i time povećati brzinu vožnje.
b. Visoka ukupna krutost karoserije
Okvir dobre krutosti pogoduje pretvorbi pogonske sile i poboljšava performanse upravljanja biciklom. Struktura bicikla od kompozita ugljičnih vlakana je jaka i nije je lako deformirati. Praksa je pokazala da njegova krutost okvira nije manja od okvira od molibden čelika.
c. Dobra otpornost na udarce
Vlastita frekvencija strukture nije samo povezana sa strukturnim oblikom, već je također proporcionalna kvadratu specifičnog modula materijala. Visoka prirodna frekvencija može izbjeći rano oštećenje uzrokovano rezonancijom u radnim uvjetima. Prijavljeno je da testovi na okvirima istog oblika i veličine pokazuju da je vibracijama okvira od aluminijske legure potrebno 9 sekundi da se zaustavi, dok kompozitnom materijalu od ugljičnih vlakana s iznimno visokom prirodnom frekvencijom treba samo 2,5 sekunde da se zaustavi. Dobro prigušivanje kompozitnog materijala smanjuje neravnine bicikla i poboljšava udobnost vožnje.
d. Dobra sigurnost
Matrica u kompozitnim materijalima od karbonskih vlakana kontinuirana je faza koja okružuje nezavisna karbonska vlakna, tvoreći dinamički neizvjestan sustav. Kada se materijal udari, kada mali broj vlakana pukne, opterećenje će se brzo preraspodijeliti na neprekinuta vlakna, tako da struktura može nastaviti nositi opterećenje, uvelike poboljšavajući sigurnost vožnje. Teško je uočiti očite znakove kvara uslijed zamora općih metalnih materijala, a njihov je kvar često iznenadan, dok kompozitni okviri od ugljičnih vlakana imaju vrlo dobru otpornost na zamor, a očiti znakovi mogu se uočiti prije kvara. Studije su pokazale da kompozitni okviri od karbonskih vlakana mogu izdržati više od milijun testova sudara.
e. Povećana sloboda konstrukcijskog dizajna
Kompozitni materijali od karbonskih vlakana imaju karakteristike anizotropije. Ova značajka kompozitnih materijala može se koristiti za raspored i polaganje vlakana prema smjeru i veličini opterećenja na biciklu tijekom vožnje. Fleksibilnost proizvodnje kompozitnih materijala pogoduje projektiranju struktura različitih oblika. Na primjer, aerodinamični bicikli mogu biti dizajnirani u skladu s aerodinamičkim načelima, koji su lijepi i praktični i lako se postižu najbolji troškovi. f. Dobra otpornost na koroziju
Polimerni materijali imaju dobru otpornost na kiseline, lužine i industrijsku atmosferu, tako da okviri bicikala izrađeni od kompozitnih materijala od karbonskih vlakana imaju izvrsnu otpornost na koroziju kiselina i lužina.
Francuski proizvođač sportskih automobila Bugatti i nizozemski proizvođač bicikala PG zajednički su izbacili najlakši bicikl na svijetu. Dizajn bicikla inspiriran je Bugattijevim sportskim trkaćim automobilom Chiron. Napravljen od kompozitnih materijala od karbonskih vlakana, težak je samo 11 funti (oko 4,99 kg). Prema American Architectural Digestu, 95% bicikla napravljeno je od kompozitnih materijala od karbonskih vlakana.
Češko tehničko sveučilište u Pragu koristi postupak automatskog namotavanja vlakana, u kombinaciji s tehnologijom integrirane petlje (ILT) razvijenom spajanjem kontinuiranih vlakana cijevi za proizvodnju okvira za bicikle i povezanih sastavnih dijelova. ILT je proces koji kombinira strukturne kompozitne elemente (kao što su cijevi i spojni dijelovi). Svi dijelovi su oblikovani u jednom komadu i potom sastavljeni.
(2) Štapovi za pecanje
Za ljubitelje ribolova, kako procijeniti koji je štap za pecanje najbolji? Ukratko, uglavnom odražava tri točke: tanak, lagan i jak. Stoga štap za pecanje visokih performansi treba zadovoljiti dvije karakteristike: veliku krutost i malu težinu.
S pojavom i razvojem ugljičnih vlakana, ona osiguravaju visoku specifičnu čvrstoću i visoki specifični modul za štapove za pecanje, čineći ove štapove za pecanje sve lakšim. Stoga se današnji štapovi za pecanje u osnovi nazivaju "štapovi za pecanje od karbonskih vlakana".
Štapovi za pecanje izrađeni od kompozitnih materijala ojačanih ugljičnim vlaknima puno su lakši od GFRP proizvoda ili plastike koja troši manje energije pri izvlačenju štapa, a udaljenost izvlačenja štapa je oko 20% veća od potonjeg. Štapovi za pecanje izrađeni od CFRP-a su dugi i dobri, visoke krutosti. Štapovi za pecanje mogu se brzo oporaviti nakon savijanja, što ih čini osjetljivijima na isporuku mamaca. Plastika ojačana ugljičnim vlaknima također se može koristiti za izradu zavojnica ribolovnog pribora, koji ne teže više od 140 grama, ali imaju visoku čvrstoću na zamor i otpornost na trenje, tako da imaju dug vijek trajanja.
Prednosti štapova za pecanje od kompozitnih karbonskih vlakana
Zbog svoje male težine i visoke čvrstoće, naširoko je hvaljen. U procesu ribolova, prednosti štapova za pecanje od ugljičnih vlakana ogledaju se u sljedećim aspektima:
·Budući da su štapovi za pecanje od karbonskih vlakana lakši i tanji, njima se može lako upravljati jednom rukom;
·Zbog male težine može spriječiti korisnike da se osjećaju umorno;
·Ugljična vlakna mogu izdužiti štapove za pecanje, a duži štapovi za pecanje znače da se može pokriti šire ribolovno područje;
·Štapovi za pecanje od ugljičnih vlakana osjetljiviji su na ribu;
Štapovi za pecanje od ugljičnih vlakana iz godine u godinu sve su više oduševljavali ribiče, a ovi štapovi za pecanje od ugljičnih vlakana također su ribolov učinili popularnom zabavnom aktivnošću, a ne osnovnim sportom, što je nedvojbeno stvorilo novo tržište za područje ugljičnih vlakana.
(3) Teniski reketi i reketi za badminton
Trend razvoja teniskih reketa je da postanu sve veći i lakši. Trenutačno je većina vrhunskih i srednjih teniskih reketa na svijetu izrađena od kompozitnih materijala od karbonskih vlakana. Veliki teniski reketi moraju biti izrađeni od kompozitnih materijala od karbonskih vlakana male težine, visoke specifične čvrstoće i visokog specifičnog modula. Oni mogu izdržati jaču napetost žica od drvenih okvira reketa kako bi se osiguralo da se ne deformiraju prilikom udaranja loptice. Kompozitni materijali od ugljičnih vlakana s dobrim svojstvima prigušivanja vibracija ne samo da sportašima daju osjećaj ugode, već također omogućuju da teniska loptica postigne veću početnu brzinu.
Teniski reketi izrađeni od kompozitnih materijala lagani su i čvrsti, s velikom krutošću i malim naprezanjem, što može smanjiti odstupanje kada loptica dodiruje reket. U isto vrijeme, CFRP ima dobra svojstva prigušivanja, što može produžiti vrijeme kontakta između žice i loptice, omogućujući teniskoj loptici da postigne veće ubrzanje. Na primjer, kontaktno vrijeme drvenih reketa je 4,33 milisekunde, čeličnih proizvoda 4,09 milisekundi, a CFRP-a 4,66 milisekundi. Odgovarajuće početne brzine lopte su 1,38 km/h, 149,6 km/h, odnosno 157,4 km/h.
Badminton reketi izrađeni od kompozitnih materijala ojačanih karbonskim vlaknima (CFRP) karakteriziraju mala težina, velika krutost i izbjegavanje loma ručke uzrokovanog nedovoljnom krutošću drvenih proizvoda. Također imaju funkciju smanjenja vibracija i dobru elastičnost, što omogućuje velike udaljenosti pri udarcima i vraćanju te visoku preciznost pri doskoku lopte.
(4) Palice za golf
Godine 1972. Sjedinjene Države prvi su upotrijebile kompozitne materijale od karbonskih vlakana za izradu palica za golf. Do 1998. broj palica za golf od karbonskih vlakana daleko je premašio broj palica od čelika. Palice za golf sastoje se od drške, drške i glave. Palice za golf izrađene od kompozitnih materijala od karbonskih vlakana mogu smanjiti težinu za oko 10% do 40%. Prema zakonu održanja momenta, kada je ukupna težina palice za golf konstantna, teška glava i lagana drška mogu povećati brzinu zamaha i omogućiti loptici da dobije veću početnu brzinu. Osim toga, kompozitni materijali od karbonskih vlakana imaju visoka svojstva prigušivanja, što može produžiti vrijeme udarca i omogućiti dalji udarac lopte.
(5) Kajak
Korištenje kevlara, aramidnog vlakna koje se obično koristi u području otpornosti na metke, na kajaku može osigurati otpornost dobro strukturiranog čamca na pucanje i lomljenje. Kada se materijali od grafena i ugljičnih vlakana koriste u kanuima i trupovima čamaca, oni ne samo da mogu povećati snagu trupa i smanjiti težinu, već i povećati udaljenost klizanja.
(6) Trkaći automobili
U 1980-ima, kada je tim McLaren F1 koristio materijale od karbonskih vlakana za izradu svojih trkaćih šasija, njihovi su trkaći automobili bili daleko ispred konkurencije. Kao rezultat toga, McLarenov pristup su oponašali drugi timovi, a zatim se vratio raznim superautomobilima, automobilima visokih performansi i civilnim automobilima.
Trenutno se primjena karbonskih vlakana u automobilskoj industriji uglavnom dijeli na dvije vrste: suhu i mokru. Među njima, suha ugljična vlakna imaju manje zaostale smole tijekom proizvodnje, a oblikovani dijelovi su jači i skuplji, pa ga naširoko koriste veliki superluksuzni brendovi.
Sadržaj smole u mokrom ugljičnom vlaknu je veći, pa je puno jeftinije od suhog ugljičnog vlakna u smislu čvrstoće komponente i troškova proizvodnje. Ali bilo da se radi o suhim ili mokrim ugljičnim vlaknima, ima bolje performanse od konvencionalnih materijala.
Tijelo Ares AMR Pro koristi posebnu fluorescentnu zelenu boju, a dodaje i ukrasnu ploču od ugljičnih vlakana koja može vidjeti raspored ugljičnih vlakana. Linije cijelog automobila su vitkije, a bočna vanjska ogledala promijenjena su u aerodinamičniji dizajn. Stražnji dio prednjeg blatobrana koristi višedijelni ventilacijski otvor za bolje usmjeravanje zraka u luku kotača. Bočne lajsne koje su gotovo blizu tla povezane su s obrvama prednjeg i stražnjeg kotača. Dizajn vrata u obliku galebovih krila također je vrlo šarmantan. Prednji kotači od 20- inča i stražnji kotači od 21- inča opremljeni su ravnim širokim gumama i rembo keramičkim kočionim sustavom od karbonskih vlakana, zbog čega cijeli automobil izgleda ljepše.
Interijer je također kopirao klasični dizajn trkaćeg automobila F1 Formule 1. Integrirani kokpit od karbonskih vlakana čini cijeli automobil čvršćim. Krov, kokpit i šasija imaju integrirani dizajn od karbonskih vlakana. Čvrstoća cijelog automobila je jača, a povratne informacije s ceste su stvarnije i pozitivnije. Velika površina antilop materijala odjekuje izloženom materijalu od karbonskih vlakana. Središnja konzola opremljena je zaobljenim pravokutnim upravljačem. Na sredini upravljača nalazi se LCD zaslon za prikaz osnovnih informacija o vozilu. Dva viseća LCD zaslona nagnuta su prema vozačevoj strani. Jednodijelno trkaće sjedalo od ugljičnih vlakana je lagano i može pružiti bolje omatanje i potporu vozaču.
S jednodijelnim dizajnom od karbonskih vlakana, krutost cijelog vozila je jača, a povratne informacije s ceste stvarnije su i pozitivnije. Velika površina antilop materijala odjekuje izloženom materijalu od karbonskih vlakana. Središnja konzola opremljena je zaobljenim pravokutnim upravljačem. Na sredini upravljača nalazi se LCD zaslon za prikaz osnovnih informacija o vozilu. Dva viseća LCD zaslona nagnuta su prema vozačevoj strani. Jednodijelno trkaće sjedalo od ugljičnih vlakana je lagano i može pružiti bolje omatanje i potporu vozaču.
