1. Süsinikkiust komposiitmaterjalide rakendamine spordi- ja vaba aja veetmise ning peamiste tootmisprotsesside valdkonnas
Süsinikkiu kasutamine sporditoodetes sai alguse 1970. aastatest. Sel ajal keskendusid kõik kosmose- ja sõjatööstusele. Ju siis köitis nii kõrgetasemeline valdkond, eriti sel perioodil toimunud USA-Nõukogude kosmosevõistlus, satelliidid, kosmoselaevad ja Kuu maandumisprogrammid, maailma tähelepanu.
Pikka aega on süsinikkiust komposiitmaterjalid edukalt tunginud erinevatesse spordikaupade valdkondadesse ning spordikaubad on ka tööstussektor süsinikkiudude rakendamiseks ja arendamiseks pärast kosmosetööstust.
Süsinikkiust komposiitmaterjalid on muutunud sporditarvete tööstuses eelistatud materjaliks tänu nende kergele kaalule, suurele tugevusele ja suurepärasele väsimuskindlusele. Süsinikkiust valmistatud spordikaupade turu inspiratsioon pärineb Ameerika Ühendriikidest Jim Floodilt, keda tuntakse golfi Edisonina. 1972. aastal avastas Jim Flood, et süsinikkiust nuppe kasutades saab golfipalle lüüa 30 jardi kaugemale kui raudu. Seejärel propageeriti süsinikkiudu muudel spordialadel metallmaterjalide asendajana, nagu sulgpall, tennis, pesapall, rula, suusatamine, jalgrattasõit, sõudmine, vibulaskmine ja muud spordialad, aga ka vabaaja spordialad, nagu kalapüük.
2. Süsinikkiust komposiitmaterjalide eelised spordivarustuses
Ühiskonna arenguga paraneb inimeste elustiil pidevalt. Sport on tunginud meist igaühe ellu. Tervislikud ja teaduslikud treeningmeetodid on ka inimeste tähelepanu keskpunktis. Nõuded spordivarustusele lähevad järjest kõrgemaks. Samuti laieneb uute spordivahendite turg, samuti tõusevad nõudmised sporditarvete materjalidele. Süsinikkiu eelised kaalu ja tugevuse osas muudavad selle uute spordivahendite eelistatud materjaliks. Seetõttu kasutatakse süsinikkiudu spordivarustuse valdkonnas üha laialdasemalt. Millised on süsinikkiu eelised spordivarustuses:
(1) Kerge kaal
Välja arvatud spetsiaalsed spordialad, mis nõuavad raskust, siis kui inimesed kasutavad sportimiseks spordivahendeid, siis mida kergem on spordivarustus, seda parem. Kerge kaal võimaldab treenijatel paremini sooritada (nt tennisereketid, -klubid, jalgrattad, suusad jne). Isegi mõned seadmed, mis kasutavad liikumapanemiseks muud jõudu kui inimjõud, nagu võidusõiduautod ja purjekad, nõuavad samuti kerget raskust. mis võib vähendada energiavajadust ja säästa kütust. Süsinikul on selles osas asendamatud eelised.
(2) Head mehaanilised omadused
Süsinikkiudmaterjalide eritugevust ja erimoodulit ei saa ületada teised materjalid. Selle ainulaadsed mehaanilised omadused vastavad just spordivarustuse vajadustele ja on suurepärane valik spordivarustuse jaoks. Süsinikkiust komposiitmaterjalid on peamiselt vaiguga kõvendatud ja vormitud, mis võivad töötlemise kujundamisel mängida suuremat rolli.
(3) Ohutus, hügieen ja keskkonnakaitse
Süsinikkiust komposiitmaterjalidel pole mitte ainult palju eeliseid, vaid need on ka keskkonnasõbralikud materjalid, millel on tagatud hügieen ja ohutus. Need on uued, eriliste omadustega materjalid. Lisaks headele mehaanilistele omadustele, tugevale plastilisusele ja kõrgele ohutusele on need ka taaskasutatavad ressursid. Need on väga keskkonnasõbralikud ja kergesti taaskasutatavad, vähendades samal ajal kulusid ja säästes ressursse. Need omadused muutuvad süsinikkiust komposiitmaterjalide eelisteks spordivarustuse laialdasel kasutamisel.
(4) Kõrge plastilisus
Plastilisus on spordivarustuse valmistamise üks põhitingimusi. Plastidel ja süsinikkiust komposiitmaterjalidel on teatav plastilisus. Plaste ja nende sulameid saab töödelda ja vormida mitmel viisil (puhumisvalu, survevalu, ekstrusioon, termovormimine jne) ning seejärel kanda spordivarustusele. Võrreldes teiste tavaliste materjalidega on neil parem plastilisus. Minu riigi sporditööstuse arenguga saab spordivarustuse valdkonnas kasutatavaid materjale töödelda mitmel viisil, et parandada spordivarustuse jõudlust.
(5) Hea vananemiskindlus
Tegelike rakenduste puhul on spordivarustus enamasti õues ja seda mõjutavad kergesti looduslikud keskkonnad, nagu päikesevalgus ja äikesetormid. Samas võivad atmosfääri kahjustada ka sellised ained nagu hapnik, osoon ja happelised gaasid. Lisaks põhjustavad temperatuurimuutused spordivarustuse vananemist, pragusid, värvimuutusi jne. Seetõttu peab spordivarustus olema kasutusele võtmisel hea korrosiooni- ja vananemiskindlusega, eriti vabaõhukeskkonnas. Sellega seotud nõuded on rangemad. Kui vananemiskindlus on halb, mõjutab see tõsiselt seadmete kasutusiga.
3. Süsinikkiust komposiitmaterjalide kasutamine spordi- ja vabaajatoodetes
Süsinikkiust sporditoodete kasutamise võib jagada kahte põhisuunda. Üks on võistlussport, mis rõhub peamiselt suurele täpsusele, kõrgemale ja kiiremale. Teine on igapäevane treening ja vaba aeg, mis eeldab sobivat kulutasuvussuhet. Praegu on sporditoodete valdkonnas kõige rohkem süsinikkiudu tarbivad tooted:
(1) Jalgrattad
Teras on jalgrataste kõige kauem kestvam materjal. Sellel on hea elastsus ja madal hind, kuid suure tiheduse tõttu on see kergesti roostetav ja väsitav. Alumiiniumsulam on turul sageli kasutatav materjal. See on kerge ja ei roosteta, kuid selle elastsus on liiga halb, seda on kerge väsitada ja sõidumugavus pole hea. Magneesiumisulami tihedus on väiksem kui alumiiniumisulamil ja selle põhiomadused on sarnased alumiiniumisulami omaga. Titaanisulami väsimuskindlus on parem kui teistel metallmaterjalidel, kuid hind on kõrge ja erikaal ei ole soodne. Süsinikkiust komposiitmaterjalidel on kõrge tugevus, hea elastsus, kerge tihedus ja korrosioonikindlus. Süsinikkiust komposiitmaterjalidest valmistatud jalgratastel on järgmised omadused:
a. Vähendage tõhusalt jalgratta kogumassi
Süsinikkiust vaigupõhiste komposiitmaterjalide tihedus on üldjuhul vaid 1,6. See on vaid viiendik terasest ja võib alumiiniumiga võrreldes kaalu vähendada umbes 40%. Jalgrattatööstuses on ütlus, et kui kaalu vähendada 1g, saab hinda tõsta 1 dollari võrra. Süsinikkiust komposiit jalgrattaraam on veerandi võrra kergem kui alumiiniumisulamist raam. Kerge kaal võib vähendada füüsilist energiakadu ja seeläbi suurendada sõidukiirust.
b. Kere üldine jäikus
Hea jäikusega raam soodustab veojõu muundamist ja parandab jalgratta juhitavust. Süsinikkiust komposiitjalgratta struktuur on tugev ja seda ei ole lihtne deformeerida. Praktika on tõestanud, et selle raami jäikus ei ole madalam kui molübdeenterasest raamil.
c. Hea põrutuskindlus
Konstruktsiooni loomulik sagedus ei ole seotud ainult konstruktsiooni kujuga, vaid ka võrdeline materjali erimooduli ruuduga. Kõrge loomulik sagedus võib vältida töötingimustes resonantsist põhjustatud varajasi kahjustusi. Teadaolevalt näitavad sama kuju ja suurusega raamide testid, et alumiiniumisulamist raami vibratsiooni peatumiseks kulub 9 sekundit, samas kui ülikõrge loomuliku sagedusega süsinikkiust komposiitmaterjalil kulub vaid 2,5 sekundit. Komposiitmaterjali hea summutus vähendab jalgratta konarusi ja parandab sõidumugavust.
d. Hea turvalisus
Süsinikkiust komposiitmaterjalide maatriks on pidev faas, mis ümbritseb sõltumatuid süsinikkiude, moodustades dünaamilise ebakindla süsteemi. Kui materjal on löögi saanud, kui väike arv kiude puruneb, jaotatakse koormus kiiresti katkematutele kiududele, nii et konstruktsioon suudab jätkuvalt koormust taluda, parandades oluliselt sõiduohutust. Üldiste metallmaterjalide väsimuse purunemise ilmseid märke on raske täheldada ja nende rike on sageli äkiline, samas kui süsinikkiust komposiitraamidel on väga hea väsimuskindlus ja ilmseid märke võib täheldada enne purunemist. Uuringud on näidanud, et süsinikkiust komposiitraamid peavad vastu rohkem kui miljonile kokkupõrkekatsele.
e. Suurenenud konstruktsiooni projekteerimise vabadus
Süsinikkiust komposiitmaterjalidel on anisotroopia omadused. Seda komposiitmaterjalide omadust saab kasutada kiudude paigutamiseks ja paigutamiseks vastavalt jalgratta koormuse suunale ja suurusele sõidu ajal. Komposiitmaterjalide valmistamise paindlikkus soodustab erineva kujuga konstruktsioonide kujundamist. Näiteks saab aerodünaamiliste põhimõtete järgi konstrueerida voolujoonelisi jalgrattaid, mis on ilusad ja praktilised ning hõlpsasti saavutavad parima kulutulemuse. f. Hea korrosioonikindlus
Polümeermaterjalidel on hea vastupidavus happele, leelisele ja tööstuslikule atmosfäärile, seega on süsinikkiust komposiitmaterjalidest jalgrattaraamidel suurepärane vastupidavus happe- ja leelisekorrosioonile.
Prantsuse sportautode tootja Bugatti ja Hollandi jalgrattatootja PG andsid ühiselt välja maailma kergeima jalgratta. Jalgratta disain on inspireeritud Bugatti Chironi sportlikust võidusõiduautost. Süsinikkiust komposiitmaterjalidest valmistatud see kaalub vaid 11 naela (umbes 4,99 kg). American Architectural Digesti andmetel on 95% jalgrattast valmistatud süsinikkiust komposiitmaterjalidest.
Prahas asuv Tšehhi Tehnikaülikool kasutab jalgrattaraamide ja nendega seotud komponentide tootmiseks automaatset kiudude kerimisprotsessi koos integreeritud silmustehnoloogiaga (ILT), mis on välja töötatud pideva kiudtoruühenduse kaudu. ILT on protsess, mis ühendab struktuurseid komposiitelemente (nt torud ja ühendusdetailid). Kõik osad vormitakse ühes tükis ja seejärel pannakse kokku.
(2) Õngeridvad
Kuidas otsustate kalapüügihuvilistele, milline õngeritv on parim? Kokkuvõttes peegeldab see peamiselt kolme punkti: õhuke, kerge ja tugev. Seetõttu peab suure jõudlusega õngeritv vastama kahele omadusele: suur jäikus ja kerge kaal.
Süsinikkiu tekke ja arenguga annab see õngeritvadele kõrge eritugevuse ja kõrge erimooduli, muutes need õngeridvad aina kergemaks. Seetõttu nimetatakse tänapäevaseid õngeritvad põhimõtteliselt "süsinikkiust õngeritvadeks".
Süsinikkiuga tugevdatud komposiitmaterjalidest valmistatud õngeritvad on palju kergemad kui GFRP tooted või plastik, mis kulutab ridva väljatõmbamisel vähem energiat ning ridva väljatõmbamise kaugus on viimasest ca 20% kaugemal. CFRP-st valmistatud õngeritvad on pikad ja head, suure jäikusega. Õngeritvad võivad pärast painutamist kiiresti taastuda, muutes need sööda kohaletoimetamise suhtes tundlikumaks. Süsinikkiuga tugevdatud plastist saab valmistada ka püügivahendite pooli, mis ei kaalu üle 140 grammi, kuid millel on kõrge väsimustugevus ja hõõrdekindlus, mistõttu on neil pikk kasutusiga.
Süsinikkiust komposiitõngede eelised
Tänu oma kergele ja suurele jäikusele on see laialdaselt kiidetud. Kalapüügiprotsessis kajastuvad süsinikkiust õngeritvade eelised järgmistes aspektides:
·Kuna süsinikkiust õngeritvad on kergemad ja peenemad, siis on nendega lihtne ühe käega manipuleerida;
· Kerge kaalu tõttu võib see takistada kasutajatel väsimust tundmast;
·Süsinikkiust saab õngeritvad pikemaks muuta ja pikemad õngeridvad tähendavad seda, et saab katta laiema püügiala;
·Süsinikkiust õngeritvad on kala suhtes tundlikumad;
Süsinikkiust õngeritvad on aasta-aastalt õngitsejaid aina entusiastlikumaks muutnud ning ka need süsinikkiust õngeridvad on muutnud kalapüügi pigem populaarseks meelelahutuslikuks tegevuseks kui põhispordiks, mis lõi süsinikkiu valdkonnale kahtlemata uue turu.
(3) Tennisereketid ja sulgpallireketid
Tennisereketite arengutrend on muutuda suuremaks ja kergemaks. Praegu on enamik maailma tipp- ja keskklassi tennisereketeid valmistatud süsinikkiust komposiitmaterjalidest. Suured tennisereketid peavad olema valmistatud süsinikkiust komposiitmaterjalidest, millel on kerge kaal, kõrge eritugevus ja kõrge erimoodul. Need taluvad tugevamat nööripinget kui puidust reketiraamid, et nad palli löömisel ei deformeeruks. Heade vibratsiooni summutavate omadustega süsinikkiust komposiitmaterjalid ei anna sportlastele mitte ainult mugavustunnet, vaid võimaldavad ka tennisepallil saavutada suurema algkiiruse.
Komposiitmaterjalidest tennisereketid on kerged ja tugevad, suure jäikuse ja väikese pingega, mis võib vähendada kõrvalekallet, kui pall reketiga kokku puutub. Samal ajal on CFRP-l head summutusomadused, mis võib pikendada nööri ja palli kokkupuuteaega, võimaldades tennisepallil saada suuremat kiirendust. Näiteks puidust reketite kokkupuuteaeg on 4,33 millisekundit, terastoodetel 4,09 millisekundit ja CFRP-l 4,66 millisekundit. Palli vastavad algkiirused on vastavalt 1,38 km/h, 149,6 km/h ja 157,4 km/h.
Süsinikkiuga tugevdatud komposiitmaterjalidest (CFRP) valmistatud sulgpallireketeid iseloomustab kerge kaal, kõrge jäikus ja puittoodete ebapiisava jäikuse tõttu tekkivate käepidemete purunemise vältimine. Neil on ka vibratsiooni vähendamise funktsioon ja hea vastupidavus, mis võimaldab pikki löögi- ja tagasilöögikaugusi ning suurt palli maandumise täpsust.
(4) Golfikepid
1972. aastal kasutas USA esmakordselt süsinikkiust komposiitmaterjale golfikeppide valmistamiseks. 1998. aastaks ületas süsinikkiust golfikeppide arv tunduvalt teraskeppide oma. Golfikepid koosnevad käepidemest, varrest ja peast. Süsinikkiust komposiitmaterjalidest valmistatud golfikepid võivad kaalu vähendada umbes 10–40%. Impulsi jäävuse seaduse kohaselt, kui golfikepi kogumass on konstantne, võib raske pea ja kerge vars suurendada löögikiirust ja võimaldada pallil saada suuremat algkiirust. Lisaks on süsinikkiust komposiitmaterjalidel kõrged summutusomadused, mis võivad pikendada löögiaega ja võimaldada pallil kaugemale lüüa.
(5) Süsta
Kasutades süstal tavaliselt kuulikindlas valdkonnas kasutatavat aramiidkiudu, Kevlarit, saab hästi struktureeritud paat vastu pidada pragunemisele ja purunemisele. Kui kanuudes ja paadikeredes kasutatakse grafeeni ja süsinikkiust materjale, ei saa need mitte ainult suurendada kere sõidutugevust ja vähendada kaalu, vaid ka suurendada libisemiskaugust.
(6) Võidusõiduautod
1980. aastatel, kui McLareni F1 meeskond kasutas oma võidusõidušassii ehitamiseks süsinikkiust materjale, olid nende võidusõiduautod konkurentidest kaugel ees. Selle tulemusel jäljendasid McLareni lähenemist teised meeskonnad ja seejärel andsid need tagasi erinevatele superautodele, suure jõudlusega autodele ja tsiviilautodele.
Praegu jaguneb süsinikkiu kasutamine autotööstuses peamiselt kahte tüüpi: kuiv ja märg. Nende hulgas on kuival süsinikkiul tootmise ajal vähem vaiku ning vormitud osad on tugevamad ja kallimad, mistõttu kasutavad seda laialdaselt suured superluksusbrändid.
Märg süsinikkiu vaigusisaldus on kõrgem, seega on see komponentide tugevuse ja tootmiskulude poolest palju odavam kui kuiv süsinikkiud. Kuid olenemata sellest, kas see on kuiv või märg süsinikkiud, on selle jõudlus parem kui tavalistel materjalidel.
Ares AMR Pro korpuses on kasutatud spetsiaalset fluorestseeruvat rohelist värvi ning lisatud on ka süsinikkiust dekoratiivpaneel, mis näeb süsinikkiudude asetust. Kogu auto jooned on sihvakamad ning külgmised välispeeglid on muudetud aerodünaamilisema disaini vastu. Esiosa poritiiba tagaosas on kasutatud mitmeosalist tuulutusava, et õhku rattakoobas paremini juhtida. Peaaegu maapinna lähedal asuvad külgäärised on ühendatud esi- ja tagaratta kulmudega. Kajakate tiivaga uksekujundus on samuti väga võluv. 20-tollised esirattad ja 21-tollised tagarattad on varustatud tühjade laiade rehvide ja rembo-keraamiliste süsinikkiust pidurisüsteemidega, mis muudab kogu auto nägusamaks.
Interjöör kopeeris ka F1 vormel-1 võidusõiduauto klassikalist disaini. Integreeritud süsinikkiust kokpit muudab kogu selle auto jäigemaks. Katus, kokpit ja šassii on integreeritud süsinikkiust disainiga. Kogu auto jäikus on tugevam ning tee tagasiside reaalsem ja positiivsem. Seemisnahast materjali suur ala peegeldab katmata süsinikkiudmaterjali. Keskkonsool on varustatud ümara ristkülikukujulise rooliga. Rooli keskel on LCD-ekraan, mis kuvab sõiduki põhiteavet. Kaks riputatud LCD-ekraani on juhi poole kallutatud. Ühes tükis süsinikkiust võidusõiduiste on kerge ja võib pakkuda ka juhile paremat mähkimist ja tuge.
Ühes tükis süsinikkiust konstruktsiooniga on kogu sõiduki jäikus tugevam ning tagasiside teedele on tõelisem ja positiivsem. Seemisnahast materjali suur ala peegeldab katmata süsinikkiudmaterjali. Keskkonsool on varustatud ümara ristkülikukujulise rooliga. Rooli keskel on LCD-ekraan, mis kuvab sõiduki põhiteavet. Kaks riputatud LCD-ekraani on juhi poole kallutatud. Ühes tükis süsinikkiust võidusõiduiste on kerge ja võib pakkuda ka juhile paremat mähkimist ja tuge.
