โมดูลัสคืออะไร? การประยุกต์ใช้คาร์บอนไฟเบอร์โมดูลัสสูงในการบินและอวกาศ?

คาร์บอนไฟเบอร์มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านการบินและอวกาศ ในแง่ขององค์ประกอบคาร์บอนไฟเบอร์เป็นชื่อรวมของประเภทเส้นใยที่มีปริมาณคาร์บอนมากกว่า 95% ซึ่งมีโมดูลัสเฉพาะสูงมากและความแข็งแรงเฉพาะ ในหมู่พวกเขาคาร์บอนไฟเบอร์ความแข็งแรงสูงหมายถึงเส้นใยที่มีความแข็งแรงสูง (ความแข็งแรงมากกว่า 4.5GPa) และโมดูลัสปานกลาง (โดยปกติโมดูลัสคือ 230GPa ถึง 310GPa) ในขณะที่คาร์บอนไฟเบอร์โมดูลัสสูงมีปริมาณคาร์บอนมากกว่า 98% และโมดูลัสอย่างน้อย 370GPa แต่มีแนวโน้มที่จะมีความแข็งแรงต่ำ หากคุณไม่มีความคิดเกี่ยวกับโมดูลัสและความแข็งแรงคุณสามารถเข้าใจได้ดังนี้: แท่งที่มีความหนาเท่ากันได้รับการแก้ไขในแนวนอนทั้งสองด้านและมีน้ำหนักแขวนอยู่ตรงกลางเมื่อตรงกลางของแท่งโค้งงอ สำหรับน้ำหนักการชั่งน้ำหนักที่เหมือนกันยิ่งโมดูลัสของถังสูงขึ้นเท่าใดก็ยิ่งโค้งงอน้อยลงเท่านั้น จะเข้าใจพลังได้อย่างไร ยังคงเป็นไม้พะยูง ของกลางเพิ่มน้ำหนักเป็น 50 กิโลกรัม ไม้หัก จากนั้น 50 กก. หารด้วยพื้นที่หน้าตัดของไม้ คือความแข็งแรงของไม้

วัสดุที่แข็งแกร่งขึ้นนั้นแข็งแกร่งขึ้นหรือไม่?

สำหรับวัสดุโครงสร้างมันไม่ง่ายอย่างนั้น ตัวอย่างเช่นหากอาคารมีอายุการใช้งานนานและคานและเสาบางส่วนได้รับความเสียหายความแข็งแรงของอาคารจะน้อยลงและความแข็งแกร่งที่นี่สอดคล้องกับโมดูลัส หากความแข็งแกร่งของโครงสร้างไม่ดีภายใต้การสั่นสะเทือนภายนอกเดียวกันความถี่เรโซแนนซ์ของวัตถุจะลดลงดังนั้นจึงเป็นเรื่องง่ายที่จะสะท้อนกับแหล่งที่มาของการสั่นสะเทือนภายนอกการสั่นสะเทือนของเรโซแนนซ์เป็นอันตรายในระดับหนึ่ง เพื่อเพิ่มความแข็งแกร่งของอาคารวิธีที่ค่อนข้างง่ายคือการเสริมความแข็งแรงคอลัมน์หนาและเพิ่มความแข็งแกร่ง

ยานอวกาศก็เช่นกัน

เพื่อให้ขีปนาวุธ จรวด และโดรนเข้าถึงเป้าหมายได้อย่างแม่นยำและมั่นคง จึงจำเป็นต้องสร้างความมั่นใจในความมั่นคงของเครื่องบินในระหว่างการบิน นั่นคือ ร่างกายต้องแข็งแรง แล้วจะแก้อย่างไร วิธีหนึ่งคือการทำให้โครงสร้างหนาขึ้นวัสดุของร่างกายกระสุนควรเลือกโมดูลัสสูงวัสดุหนาเพื่อให้มีความสามารถในการป้องกันการเสียรูปที่แข็งแกร่ง อย่างไรก็ตาม ยานอวกาศถูกขอให้มีน้ำหนักเบาซึ่งเป็นความขัดแย้ง เวลานี้ก็ต้องเลือกวัสดุที่มีน้ำหนักเบาและแข็งแรง เช่น ผงคาร์บอนไฟเบอร์ ปัจจุบันหลายรุ่นยังคงใช้คาร์บอนไฟเบอร์ที่มีความแข็งแรงสูง (High Tensility Carbon Fiber) ซึ่งเป็นคาร์บอนไฟเบอร์ที่มีความแข็งแรงสูงและโมดูลัสต่ำ เนื่องจากคาร์บอนไฟเบอร์ชนิดนี้สามารถตอบสนองความต้องการด้านการออกแบบ อย่างไรก็ตามในบางกรณีคาร์บอนไฟเบอร์ความแข็งแรงสูงมีความแข็งแรงสูงและโมดูลัสไม่เพียงพอ ตัวอย่างเช่น สตริงขนาดใหญ่มีจุดร่วมกันมากกว่าปีกและโครงสร้างรองรับของยานอวกาศ โครงสร้างมีอัตราส่วนความยาวและรายละเอียดสูงและการสั่นสะเทือนอาจเกิดขึ้นได้ง่ายเมื่อถูกรบกวนระหว่างการบิน เสียงสะท้อนเกิดขึ้นเมื่อความถี่การสั่นสะเทือนใกล้เคียงกับความถี่โดยธรรมชาติของโครงสร้างซึ่งจะส่งผลต่อความมั่นคงของเครื่องบินอย่างชัดเจน เพื่อ จำกัด เสียงสะท้อนจำเป็นต้องเพิ่มความถี่โดยธรรมชาติของโครงสร้างระดับต่ำเพื่อไม่ให้เกิดขึ้นหรือน้อยลงในระหว่างการบิน เพื่อเพิ่มความถี่โดยธรรมชาติจำเป็นต้องเพิ่มความแข็งแกร่งของโครงสร้าง ดังนั้นการใช้งานเหล่านี้จึงมีความต้องการสูงมากสำหรับความแข็งแกร่งของโครงสร้างและขีด จำกัด น้ำหนักและปริมาณที่เข้มงวด ในเวลานี้นักออกแบบโครงสร้างจะ "เชิญ" คาร์บอนไฟเบอร์โมดูลัสสูงจะปรากฏขึ้น ด้วยการใช้คาร์บอนไฟเบอร์โมดูลัสสูงสามารถปรับปรุงความแข็งแกร่งของโครงสร้างในขณะที่รับประกันความแข็งแรงภายใต้น้ำหนักโครงสร้างที่ จำกัด ทำให้เครื่องบินมีเสถียรภาพมากขึ้น ดังนั้นเราสามารถพูดได้ว่ามันเป็นคาร์บอนไฟเบอร์โมดูลัสสูงที่ให้ยานอวกาศ "กระดูกเหล็ก"