[Продовження з: Розробка та тенденції композитів з вуглецевого волокна у спорті та дозвіллі (частина I) (1)]
3.1 Автоклавне формування: «золотий стандарт» для найкращого обладнання для змагань
Автоклавне формування забезпечує найвищу якість – і найвищу вартість – серед процесів формування вуглецевого волокна, з пористістю продукту нижче 1% і механічними властивостями, близькими до теоретичних меж. У спортивних товарах він використовується майже в усьому змагальному спорядженні найвищого рівня: у флагманських рамах шосейних велосипедів, таких як Trek Madone і Specialized S-Works Tarmac, використовується препрег Toray T800/T1000, який затверджується при 120–180 градусах і 5–7 бар протягом 2–4 годин, з вагою рами лише 700–800 г; висококласні стрижні для гольфу від Fujikura та Graphite Design використовують препрег з вуглецевого волокна Toray T1100G із затвердінням в автоклаві, щоб збалансувати надзвичайну жорсткість і малу вагу; Для максимальної надійності компоненти вітрильного спорту Кубка Америки також виготовлені в автоклаві. Інвестиції в обладнання зазвичай становлять 20–50 мільйонів юанів, а вартість одиниці продукції є дуже високою, що обмежує процес лише конкурентоспроможними продуктами найвищого рівня.
3.2 Намотування нитки: «Душевний процес» для вудок і стрижнів для гольфу
Намотування ниток є одним із найпоширеніших процесів формування спортивних товарів із вуглецевого волокна, і він незамінний у рибальських вудках і стрижнях для гольфу. Жгути з вуглецевого волокна, просочені смолою, намотуються на оправку під точними кутами - внутрішні шари під малими кутами (15 градусів – 25 градусів) забезпечують жорсткість на вигин, зовнішні шари під великими кутами (45 градусів – 60 градусів) забезпечують жорсткість на кручення – так що багатокутна конструкція оптимізує анізотропні механічні характеристики виробу.
Weihai Guangwei Composites починався саме тут, з намотування нитки для вудки. У 1998 році компанія імпортувала першу в Китай лінію препрегу з вуглецевого волокна широкої ширини для виробництва вудилищ, а потім розширила виробництво матеріалів з вуглецевого волокна, зрештою ставши повним лідером у китайській промисловості з вуглецевого волокна. Його препрег з вуглецевого волокна залишається основною сировиною для кластеру рибальських снастей Weihai. Вейхай, найбільший у світі центр з виробництва вудок, містить повний ланцюг, що включає препрег вуглецевого волокна → намотування нитки → виробництво вудилищ → обробку компонентів → маркетинг бренду, і на нього припадає близько 60% світового виробництва вудок.
3.3 Компресійне формування: «Інструмент масового виробництва» для ракеток і карбонових пластин для взуття
Компресійне формування поміщає препрег у металеву форму та затверджує його під дією тепла та тиску, пропонуючи високу ефективність, хорошу точність і придатність для виробництва великої партії. У спортивних товарах каркаси ракеток для тенісу та бадмінтону майже повністю виготовлені методом пресованого формування препрегами - кут укладання вуглецевого волокна (0 градусів /±45 градусів /90 градусів) контролює жорсткість ракетки на вигин і кручення, оптимізуючи «точку насолоди». У високоякісних ракетках Yonex, Li-Ning, Wilson і Babolat використовується препрег з вуглецевого волокна Toray із компресійним формуванням.
Вуглецеві пластини для спортивного взуття також формуються під тиском середніми та великими партіями - кілька шарів препрегу з вуглецевого волокна затверджуються під дією тепла та тиску у формі, а потім нарізаються на пластини підошви. В кросівках з карбоновим покриттям від Nike, Li-Ning, Xtep і Anta використовується цей процес. Велосипедні компоненти (виноси, підсідельні штирі, рукоятки), лижні кріплення та корпуси захисного спорядження також широко формуються під тиском; Такі бренди, як Giant і Merida, використовують велику кількість карбонових деталей, виготовлених під тиском.
3.4 RTM і VARI: від велосипедних дисків до корпусів гоночних човнів
RTM (Resin Transfer Molding) використовує закриту прес-форму з ін’єкцією смоли під тиском для досягнення гладких поверхонь з обох боків і виробництва майже чистої форми. У спортивних товарах RTM в основному використовується для велосипедних ободів з вуглецевого волокна (цільне формування зменшує кількість з’єднань), головок ключок для гольфу (високоточне формування складних геометрій) і стрижнів хокейних ключок (змінна товщина стінок для легкої ваги). Порівняно з маршрутом препрег–автоклав RTM підвищує ефективність виробництва в 3–5 разів.
VARI (Vacuum Assisted Resin Infusion) використовує вакуумний негативний тиск для введення смоли в сухе волокно; інвестиції в обладнання невеликі, а процес підходить для великих деталей. У спортивних товарах VARI в основному використовується для гребних снарядів, байдарок і вітрильних корпусів (розміром 3–10 м, занадто великий для автоклава). Відомий європейський бренд байдарок використовує VARI для виробництва байдарок з вуглецевого волокна змагального класу, скорочуючи час циклу на одиницю з 40 годин з ручною укладкою до 12 годин і досягаючи об’ємної частки волокна 58%. Дошки для серфінгу з вуглецевого волокна та дошки для веслування стоячи (SUP) також використовують VARI; Його формування під низьким тиском успішно поєднує серцевини з спіненого EPS з оболонками з вуглецевого волокна, що робить вироби на 30% легшими за звичайні дошки для серфінгу зі скловолокна.
3.5 Препрег: «основний проміжний матеріал» у виробництві спортивних товарів
Препрег є найважливішим проміжним матеріалом у виробництві CFRP - напівзатверділого листа, виготовленого шляхом попереднього просочення вуглецевого волокна смолою. У спортивних товарах термореактивний препрег (в основному епоксидний) становить близько 80% і широко використовується в велосипедних рамах, стрижнях для гольфу, тенісних ракетках і вудках; Термопластичний препрег (PEEK, PPS, PA6 та інші) становить близько 20% і швидко зростає - його здатність до переробки, повторної обробки та короткий цикл формування (хвилини проти годин) особливо підходить для лиж, захисного спорядження та карбонових пластин для взуття, де міцність і продуктивність мають найбільше значення. Teijin керує заводом з термопластичних односпрямованих стрічок у Німеччині, присвячених препрегам з вуглецевого волокна/PEEK і вуглецевого волокна/PPS для спортивних товарів.
4. Порівняння матеріалів: чому вуглецеве волокно стало першим вибором для спортивних товарів?
Основна вимога до вибору матеріалів для спортивних товарів – «легші, міцніші, пружніші, довговічніші». Вуглецеве волокно демонструє переважні переваги в усіх чотирьох вимірах:
Питома міцність (міцність/щільність) вуглецевого волокна в 10 разів більша, ніж у сталі, у 8 разів більша, ніж у алюмінієвого сплаву, і в 5 разів більша, ніж у титанового сплаву – це саме те поєднання надзвичайної легкості та високої міцності, якого прагнуть спортивні товари. Але вуглецеве волокно не є універсальною відповіддю: його крихкість означає катастрофічну поломку під сильним ударом, тому в хокейних ключках, лижах та інших застосуваннях, що вимагають високої міцності, часто застосовують гібридне плетіння вуглецю/араміду, використовуючи чудову ударостійкість араміду, щоб компенсувати крихкість вуглецевого волокна. Висококласна серія вудилищ EXSENS від Shimano використовує гібрид вуглецевого волокна та араміду, що значно покращує ударну в’язкість, зберігаючи низьку вагу.
За вартістю вуглецеве волокно великого розміру (48K/50K) впало до 80–100 юанів/кг, що постійно скорочує розрив із скловолокном (8–15 юанів/кг). Швидкий випуск великогабаритних потужностей з вуглецевого волокна Jilin Chemical Fiber Group прискорює перехід вуглецевого волокна від професійної конкуренції на масові споживчі ринки. Взявши, наприклад, велосипеди з вуглецевого волокна, використання вуглецевого волокна великого розміру може знизити витрати на матеріал рами приблизно на 40%, в результаті чого ціни на вуглецеві велосипеди початкового рівня впали з 8000 юанів до 5000 юанів.
5. Основні сфери застосування: як вуглецеве волокно змінює ландшафт спортивних товарів
5.1 Ключки для гольфу: «Перше поле битви» від Carbon Fiber
Гольф-клуби є найбільшим ринком спортивних додатків для вуглецевого волокна. Коли в 1970-х роках почали комерціалізувати вуглецеве волокно, ключки для гольфу та вудки були одними з перших спортивних товарів, які прийняли його. За даними QYResearch, до 2031 року очікується, що глобальні продажі гольф-клубів із вуглецевого волокна досягнуть 5,854 мільярда юанів, що означає річний темп зростання 7,0%.
З точки зору технологій, драйвер TaylorMade Qi10 LS використовує конструкцію «Infinity Carbon Crown» із 60 шарами вуглецевого волокна та подвійно вигнутою поверхнею, причому вуглецевий матеріал покриває 97% площі корони для досягнення чудової ефективності передачі енергії. У валах серії Tour AD від Graphite Design використовується препрег з вуглецевого волокна Toray T1100G і технологія нано-сплаву, що значно підвищує структурну жорсткість без збільшення ваги. Callaway (річний дохід близько 1,8 мільярда доларів США) і TaylorMade (приблизно 1,5 мільярда доларів США) є двома провідними світовими брендами гольф-клубів із вуглецевого волокна, і обидва постачають свої основні матеріали з вуглецевого волокна виключно від японської Toray.
Варто зазначити, що матеріали з вуглецевого волокна для китайських високоякісних ключок для гольфу з вуглецевого волокна на 87% залежать від імпорту, залишаючи величезний простір для внутрішньої заміни. Шлях розвитку Guangwei Composites — починаючи з рибальських снастей Weihai і поступово поширюючись вгору на матеріали з вуглецевого волокна — пропонує відтворювану модель для галузі: починайте з кінцевого ринкового попиту на спортивні товари, інтегруйте матеріали вгору в зворотному напрямку та замикайте цикл галузевого ланцюжка.
[Продовження: розвиток і тенденції використання композитів з вуглецевого волокна у спорті та дозвіллі (частина I) (3)]
[Джерело] Китайська асоціація промисловості композитних матеріалів (CCIA), офіційний веб-сайт
[Оригінальне посилання] https://ccia.xin/xingyebaogao/3618.html