Углепластик — это… Что такое Углепластик?

Углепл́астик (углеродопласт) — композиционный материал на основе углеродного волокна и синтетической смолы.

Также называют — карбоном или карбонопластиком.

Плотность от 1450 кг/куб.м.

Материалы отличаются высокой прочностью, жёсткостью и малым весом, часто прочнее стали, но гораздо легче(по удельным характеристикам превосходит высокопрочную сталь, например 25ХГСА).

Вследствие дороговизны (1 кг отечественной угольной ткани = 8…10 т.р.), этот материал применяют обычно в качестве усиливающих дополнений в основном материале конструкции (не всегда, а только при экономии средств и отсутствия необходимости получения максимальных характеристик).

Производство

Прессование. Углеткань выстилается в форму, предварительно смазанную антиадгезивом (например, мыло, воск, воск в бензине, Циатим-221, кремнийорганические смазки). Пропитывается смолой. Излишки смолы удаляются в вакууме(вакуум-формование) или под давлением.

Смола полимеризуется, иногда при нагревании. После полимеризации смолы изделие готово.

Контактное формование: На примере изготовление бампера: берется металлический исходный бампер(-«болван»), смазывается разделительным слоем. Затем на него напыляется монтажная пена (гипс, алебастр,…). После отверждения — снимается — это матрица. Затем ее смазывают разделительным слоем и выкладывают ткань. Ткань может быть предварительно пропитанной, а можно пропитывать кисточкой или поливом прямо в матрице. Затем ткань прокатывается валиками — для уплотнения и удаления пузырьков воздуха. Затем полимеризация (если отвердитель горячего отверждения, то в печке, если нет, то при комнатной температуре — 20 гр. Цельсия). Затем бампер снимается, если надо — шлифуется и красится.

Трубы и иные цилиндрические изделия производят намоткой.

Форма волокна: нить, лента, ткань.

Смола: эпоксидная.

Возможно изготовление форм из углепластика в домашних условиях, при наличии опыта и оборудования.

Применение

Корпус зеркала гоночного автомобиля из углепластика

Используется вместо металлов во многих изделиях, от частей космических кораблей до удочек

• ракетно-космическая техника
• авиатехника (самолётостроение, вертолётостроение)
• судостроение (корабли, спортивное судостроение)
• автомобилестроение (спортивные автомобили, мотоциклы, тюнинг и отделка)
• наука и исследования
• спортивный инвентарь (велосипеды, удочки)
• медицинская техника
• рыболовные снасти (удилища)

Ссылки

Wikimedia Foundation. 2010.

Придет ли углепластик на массовую стройку

Прошел год с момента подписания Дмитрием Медведевым правительственного распоряжения № 1307-р от 24 июля 2013 года об утверждении плана мероприятий «Развитие отрасли производства композитных материалов». Тогда же министр регионального развития Игорь Слюняев приказом № 306 в соответствии с поручением Президента от 12 ноября 2012 года утвердил отраслевую программу внедрения композиционных материалов, конструкций и изделий из них в строительном комплексе России.

Что делается и что еще предстоит сделать в этом плане?

 

Что это такое

Сам факт того, что слово «композит» сегодня звучит на самом высоком уровне, является показателем обеспокоенности руководства страны состоянием этого сегмента стройиндустрии. Ведь уровень применения современных композиционных материалов в производстве — один из критериев, по которому оценивается степень развития страны в целом. А нынешние меры, предпринимаемые Западом для изоляции России, еще сильнее выявляют проблемы нашей зависимости от импорта, в том числе от составляющих для изготовления композиционных материалов.

Под термином «композит» сегодня понимают современный материал, состоящий из полимерной (керамической, металлической, углеродной или другой) основы, армированной наполнителями. В качестве последних также используют разные материалы, из которых наиболее широко распространены стекло-, базальто- и углеволокно, а также сплетенные из них холсты.

А что же карбон, он же углепластик? Это продукт высоких технологий — композиционный материал, где наполнителем служит углеродное волокно или ткань, а связующим (матрицей) является полимер (например, эпоксидная смола), который затвердевает при определенных условиях.

У разных полимеров — разные условия отверждения: повышение температуры, наличие катализаторов, специальных отвердителей и пр.

Волокна в углепластике — ?5-10 мкм и состоят из цепочек атомов углерода, выстроенных в кристаллическую решетку. Жгуты из таких волокон имеют очень высокое сопротивление на растяжение. Так, прочность на разрыв у углеволокна в четыре раза выше, чем у лучших марок стали. При этом его плотность вчетверо меньше. Опыт показывает, что порвать тонкий стержень из углепластика ?5 мм можно только при нагрузке 2,5 тонны. Для сравнения: образец из чугуна таких же размеров рвется уже при 150 кг.

В поперечном направлении волокна углерода имеют существенно меньшую прочность, поэтому чтобы реализовать прочностные характеристики волокон в изделии, нужно располагать их в матрице, ориентируя в нужных направлениях. Фактически затвердевший массив матрицы и компенсирует недостаток прочности волокон в их поперечном направлении. Как его получают Процесс получения углеволокна весьма энергоемок. Графитовые нити получают в несколько этапов при нагреве вискозных или полиакрилонитрильных (ПАН) волокон в разных средах. Органические нити доводятся до стадии обугливания, в результате чего и появляется материал из чистого углерода. Поэтому конечный продукт выходит весьма дорогим.

Точно так же существуют и разные технологии получения углепластиков, которые отличаются формой, размерами и свойствами изделий — весом, прочностью, огнестойкостью и пр. Это могут быть ленты и полотна из углеволокна, которые пропитывают на объекте эпоксидной смолой. Готовые профили для конструкций мостов или прутки арматуры, в которых нити наполнителя «замоноличены» затвердевшим полимером. Изготавливают и так называемые препреги — полотна углеволокна, заранее пропитанные смолами, из которых в заводских условиях при высоких температуре и давлении формуют готовые детали.

Кстати, именно такие изделия востребованы в авиа- и ракетостроении, поскольку только указанные технологии позволяют получить легкие, исключительно прочные и термостойкие детали конструкций. Поэтому-то разработчикам и удается создавать более совершенные модели самолетов и космических кораблей.

Но вернемся на землю. Посмотрим, насколько востребованы композиты, и карбон в том числе, в строительстве.

 

Армирование бетона

Использование арматуры нового типа для бетонных конструкций — одно из очевидных применений композитов в строительстве. Композитная арматура — это стержни из стеклянных, базальтовых, углеродных или арамидных волокон, пропитанных полимерным связующим и отвержденных. Тип использованного волокна определяет и характер полученной арматуры. Довольно распространены изделия с наполнителем из стекловолокна — стеклопластиковая арматура (АСП), из базальтовых волокон — базальтопластиковая (АБП), из углеродных волокон — углепластиковая. Для сцепления с бетоном на поверхности композитной арматуры в процессе производства формируются специальные ребра или наносится покрытие из песка.

Стальная арматура в железобетоне подвержена коррозии, а вот композитный материал в этом плане выгодно отличается от нее благодаря высокой коррозионной стойкости, особенно у базальтопластика.

Однако и у базальтопластиковой, и у стеклопластиковой арматуры есть свои недостатки: низкий модуль упругости (примерно в 3-4 раза ниже, чем у стальной) и заметная потеря прочности при нагреве. Поэтому подобную композитную арматуру чаще используют в качестве гибких связей для трехслойных стен из кирпича и других штучных материалов или для соединения несущих железобетонных стен с кирпичной облицовкой и пр. с целью снижения теплопередачи ограждений.

В этом плане углепластиковая арматура имеет лучшие характеристики, чем стекло- и базальтопластика. Это абсолютная коррозионная стойкость (инертность ко всем агрессивным средам), высокая прочность, долговечность (ожидаемый срок службы — 75 лет), низкий вес. Использование углепластиковой арматуры позволяет изготавливать более длинные силовые секций в сборных конструкциях. Но и стоимость такого композита в разы больше, что, в общем-то, и ограничивает его применение.

 

Усиление конструкций

Одно из важных направлений использования углепластика — когда на поверхности балки, стойки и пр. с помощью специального клея фиксируют сверхпрочную углеткань. При этом обеспечивается повышение прочности элементов в растянутых зонах и приопорных участках в зоне действия поперечных сил, а также сжатых элементов. Так, в 2003 году углеродные ленты использовали для усиления балок пролетов автодорожного моста на 104-м км трассы Москва-Нижний Новгород.

Усиливать можно стальные, деревянные и даже каменные конструкции — столбы, пилоны, простенки. Также это могут быть кирпичные или бетонные стены, поврежденные после просадки фундамента, или ограждения с проемами (окнами, дверями, технологическими отверстиями). Натурные испытания кирпичных столбов, проведенные в лаборатории каменных конструкций ЦНИИСК в 2004 году, например, показали полутора-двукратное увеличение несущей способности кирпичных столбов, усиленных бандажами из углехолста.

 

Готовые изделия из композита

В строительстве полимерные композиты — это материалы для изготовления градирен, емкостей для транспортировки и хранения химически активных веществ, трубопроводы разного назначения, элементы конструкций мостов, ограждения на автодорогах, плавательные бассейны, передвижные домики, выставочные павильоны и многое другое.

Как видим, композиты имеют весьма широкую область применения, но если сравнивать Россию с промышленно развитыми странами, наши успехи пока скромны. Если до конца 80-х прошлого века в сфере разработки композитов мы шли с Западом нога в ногу, то после развала СССР наше развитие в этой области приостановилось. Между тем потребность в композитных материалах не уменьшается, а только возрастает. Но из-за крайне медленного развития собственного производства мы все больше и больше становимся зависимыми от импорта. Чтобы как-то уйти от этой зависимости, необходимо решить ряд проблем технического и организационного характера, требующих не только огромных средств, но и времени.

Прежде всего, необходимо создать условия для роста серийного производства углеродных композитов. Сегодня холдинговая компания «Композит» является единственным игроком, оказывающим влияние на развитие российского рынка углеродного волокна. А отсутствие конкуренции на рынке углеродного волокна не способствует ни снижению цены на него, ни росту объемов производства. Привлечь инвесторов в достаточно новую, наукоемкую сферу без быстрого возврата вложенных средств очень сложно — для этого нужны весомые рычаги. Можем ли мы своими силами изготовить необходимое оборудование или придется закупать дорогостоящие станки за рубежом? Это к вопросу об импортозамещении. Четкого ответа на этот вопрос пока нет.

Для производства новых композитов, их применения и эксплуатации изделий из них нужны квалифицированные специалисты. Их подготовка — часть большой комплексной работы. И пока мы с этим тянем, в правительстве обсуждается вопрос о том, что надо привлекать мигрантов, уже обученных у себя на родине.

 

На бумаге все гладко…

Существенно тормозит внедрение углеродных композитов затягивание процесса принятия нормативной документации, регламентирующей применение новых материалов, особенно в строительстве. Например, отсутствие СНиПов в области применения углеродных композитов ставит практически непроходимый барьер для проектов в Госстройэкспертизе.

Конечно, сам факт создания плана мероприятий «Развитие отрасли производства композитных материалов» намечает пути решения этих проблем, но при этом данной «дорожной картой» …не устанавливается направление бюджетных ассигнований на реализацию предусмотренных документом мероприятий».

Время покажет, как чиновники отрапортуют о решении поставленных задач. Не исключено, что это будет большой «бумажный» успех.

Подготовил Владислав ТИХОМИРОВ

Фото infuture.ru, mvtb.ru, nowing.ru, nanonewsnet.ru, avito.st

Что такое карбон и его модульность?

«

Три крупнейших японских завода, производящие карбон: Toray, Mitsubishi и Toho

«

В настоящее время у производителей всех известных марок спиннингов обязательно присутствуют модельные ряды из карбона (углепластика, графита). Бланки спиннинговых удилищ производятся из особой ткани, которая состоит из нескольких слоев тончайших углеродных нитей, плотно сплетенных со связующим композитным материалом, и расположенных под специальными углами по отношению друг к другу. Эта ткань получается высокопрочной и жесткой, но в то же время очень легкой.

Само волокно бывает нескольких видов, и важную роль играет связующий композитный материал. В мире существует три крупнейших японских завода, производящие карбон – Toray, Mitsubishi и Toho. И еще три завода, которым так же стоит уделить внимание – Zoltek (Венгрия), Hexcel (Германия) и Cytek (США). Эксплуатационные характеристики бланка напрямую зависят от одного важного параметра – модульности применяемого карбона. Под модульностью (модулем упругости) понимается величина, которая характеризует способность материала к сопротивлению сжатию, растяжению или деформации. Данная величина измеряется в тоннах силы на квадратный метр или в гигапаскалях. Волокно, которое получается в рамках стандартного процесса изготовления углеродных нитей, обычно имеет модульность 24 тонны. Часто мы видим на таких спиннингах маркировку Toray T-24. При более сложных процессах получается более плотное волокно с модулем упругости 30 тонн. При большем усложнении процесса и удорожании производства получается углеродное волокно с модулем от 35 тонн и выше. Чем больше модуль упругости карбона, тем оно более жесткое и хрупкое. В производстве для улучшения эксплуатационных качеств удилища используют сочетание волокон разной модульности, потому что для получения нужного строя бланка разные его части должны вести себя соответствующим образом.

В итальянской компании Tubertini используется как раз смесь графита разной модульности для разных частей спиннингов, что делает их сбалансированными и улучшает эксплуатационные характеристики. Так, например, в спиннинге Fenixx в бланке использован карбон компании Toray модульностью 24 тонны, а кончик повышенной чувствительности произведен из карбона Toray модульностью 30 тонн. А в спиннинге Pike Killer с более жестким бланком для увеличения силовых качеств использован только карбона Toray 30 тонн.

Спиннинги, изготовленные из графита, обладают высокой прочностью, легкостью и очень чувствительны к поклевке – с таким спиннингом рыбак почувствует даже самое небольшое изменение в игре приманки и самую осторожную поклевку. Из основных минусов карбоновых бланков можно выделить слабую устойчивость к ударам и изломам.

В заключение хочется добавить, что не стоит выбирать спиннинг только исходя из марки или модульности карбона, необходимо смотреть на строй, тест, ручку и насколько вам удобно будет ловить данным орудием.

Карбоновые удилища. Вся правда о карбоне

В последнее время, как только заходит речь об удилищах, сразу же вспоминают про различные аббревиатуры, которые характеризуют карбон, из которого сделаны удилища. 1К, 2К, 3К. «Это удилище из высокотехнологичного карбона», «Высококачественный карбон, делает удилище..», «Карбон, из которого сделан бланк, отвечает самым высоким требованиям» и так далее, и так далее. А что же скрывается за всей этой маркетинговой терминологией?

Что такое карбон?

Карбон — углерод, представляющий собой полимерный композиционные материал из переплетенных нитей углеродного волокна, расположенных в матрице из полимерных смол. Отличается высоко прочностью и малой массой. Зачастую гораздо прочнее стали, но в разы легче. По удельным характеристикам превосходит многие высокопрочные стали.

Но отойдем в сторону от точных определений. Самое главное, что вы должны понимать в карбоне, что его на самом деле существует два вида: чистое углеродное волокно (оно же carbon fiber) и углепластик (полимер, усиленный углеродным волокном — carbon fiber reinforced polymer). Оба этих материала в быту называют карбоном, что, в конечном итоге, привело к тому, что понятия стали путать между собой.

Практически весь карбон, из которого делаются удилища получается из полиакрилонитрила (сокращенно ПАН) при помощи окислительного пиролиза и последующей обработки в инертном газе. Нити углерода получаются очень тонкие (ориентировочно 0,005-0,10мм в диаметре), сломать их очень просто, а вот порвать очень сложно. Из этих нитей и сплетаются ткани, из которых затем делаются бланки для удилищ.

Почему карбон так удобен для производстве удилищ?

Использование карбона позволяет достигнуть высокой прочности удилища, жесткости, при очень малом весе. Дело в том, что карбон является материалом, механические свойства которого зависят от направления волокон. Комбинируя их в различных направлениях, можно добиваться оптимальных характеристик различных изделий, будь то удилища или любое другой изделие. То есть, характеристики бланка зависят напрямую от того плетения, на которое пал выбор разработчиков удилища. Карбон позволяет добиться практически любой формы изделия, именно поэтому у инженеров куда больше возможностей и свободы в создании «идеального» удилища.

Из какого карбона лучше всего покупать удилища?

Это очень сложный вопрос. Определить на глазок что за карбон перед вами очень тяжело. Производители могут написать всякое. Единственный совет, который точно можно дать — это избегать различных дешевых «трехкопеечных» бланков непонятного производства. Остается только гадать откуда производитель берет этот материал. А самое главное, большинство рецептов карбонового волокна являются частной собственностью (запатентованными) и просто так ни одна фирма не расскажет вам состав.

Точно так же не стоит доверять различным рекламным лозунгам, что такая-то компания использует «особенный», «исключительный», «высокотехнологичный» и так далее карбон. Правда состоит в том, что две трети мирового рынка по производству карбона принадлежат трем японским фирмам — Toray (30%), Mitsubishi (18%), Toho (18%). За ними расположились такие фирмы, как венгерская Zoltek (17%), немецкая Hexcel (7%), американская Cytek (3%), на всех остальных приходится в общей сложности еще 6%.

Всего в год производится порядка 43,5 тысяч тонн карбона. Из них 41% — потребляет авиация, космическая и военные промышленности. 17% — спорт, 12% — строительство 12% — различные нужды, по 5%-6% автомобилестроение, гражданская инженерия и так далее. Не будем тонуть в цифрах.

Важно, что из всего оборота на спорт, рыбалка забирает не более 2-3%. Теперь вдумайтесь — если вы владеете инфраструктурой, позволяющей исследовать новые виды карбоновых волокон, чем вы займетесь — производством деталей для космической промышленности или для удилищ? Будете работать с 41% рынка или сосредоточитесь на двух процентах даже не от общего рынка, а от 1/5 этого рынка? Ответ очевиден, поэтому искренность заявлений производителей рыболовных аксессуаров касательно «уникального карбона» вызывает большие подозрения. Мы не беремся утверждать, правда это или нет. Мы просто даем пищу для размышлений.

Характеристики карбона

При получении карбона из поликарилонитрила, под микроскопом полученная нить будет напоминать ствол дерева. Плотный в центре, с шероховатой корой снаружи. Если продолжать очищать нить от «коры», то получится нить меньшего диаметра, но большей плотности. Соответственно на одну и ту же единицу площади поместится большее количество таких нитей, что позволит добиться не меньшей жесткости, но гораздо уменьшить вес. Производство таких тонких волокон сопряжено с большими издержками, потому что волокно получается хрупким и использовать его необходимо с большой осторожностью.

Отсюда и высокая стоимость такого карбона. Однако очень эластичный карбон является очень хрупким материалом. Поэтому инженером постоянно приходится ломать голову, чтобы найти оптимальный баланс между прочностью и эластичностью. Это достигается уже при помощи рецепта карбонового волокна, в котором комбинируют несколько слоев карбона с различными характеристиками. Каждая такая комбинация и есть главная тайна и секрет любого удилища, да и просто изделия.

Теперь стоит поговорить о самых наших любимых характеристиках — 1К, 2К, 3К, которыми часто маркируют карбон. Подобная маркировка относится к плетению углеродного волокна. Нити собирают в полоски и эти полоски переплетают друг с другом. 1К означает, что в полосе 1000 нитей, 2К — 2000 нитей, а 3К — 3000 нитей. На самом деле эта характеристика никаким образом не является признаком тех или иных свойств самого волокна. Важно не количество нитей в полосе, а то, каким образом плетутся эти полосы, и из какого состава-рецепта сделаны волокна. А это уже зависит от производителя.

Вернемся к мировому рыболовному рынку!

Здесь все сурово. Подавляющее большинство удилищ, которые сегодня продаются в магазинах изготовлены в Азии, на фабриках, каждая из которых обслуживает сразу несколько брендов. Современные бренды, причем не только в рыболовной индустрии, в большинстве своем являются самыми настоящими маркетинговыми и инженерными центрами, но не производителями.

Они заключает контракты с так называемыми Original Equipment Manufactures, если говорить по-русски, посредниками, отсылают им дизайн и желаемые характеристики, которые они хотят получить на выходе, а уже OEM несет ответственность за производство. Такие фабрики отправляют готовые удилища, на которых стоит Made in China, или же могут отправить удилище, которое будет еще доведено до ума. Во втором случае вы можете зачастую видеть заветные Made in UK, Made in Germany и так далее.

Вполне распространенная практика, когда сразу несколько компаний работает с одной и той же фабрикой. Но также и бывает масса случаев, когда один бренд работает с несколькими OEM, когда хочет производить несколько видов удилищ.

Но это вовсе не означает, что вас обманывают. Как раз нет. Ведущие бренды отдают процесс производства карбоновых удилищ в руки профессионалов, которые занимаются только плетением карбоновых волокон и изделиями из карбона. Конечно, это все стоит денег, и увеличивает цену исходного продукта. Теперь представим ситуацию, когда вы покупаете вроде бы карбоновое удилище, которое стоит ну совсем дешево.

Сразу можете убрать отсюда работы по инженерным расчетам и дизайнеров. Вам просто продают готовую, стандартную заготовку, уберите затраты на маркетинговые исследования и сертификацию производства (самый главный признак отсутствия контроля качества) и так далее.

Репутационные риски заставляют известные бренды подходит крайне ответственно к вопросу качества, тогда как никому неизвестные производители подобных рисков вообще не имеют. Ну закрыл ты эту фирму, открыл завтра новую. Вот и все дела. Вы никогда не узнаете какие конкретно материалы были использованы, какая смола, что ожидать от удилища. Если вы считаете данный риск оправданным низкой ценой, конечно, покупайте. Но разве много у нас людей осознают эти риски? Надеемся, что после прочтения данной статьи, их число хотя бы немножко увеличится.

Полное или частичное копирование без согласования с редакцией портала запрещено

Углепластик в автомобилестроении — плюсы и минусы (карбон)

Последнее столетие или около того, легковые автомобили и грузовики преимущественно делали из одного материала: из стали.

Не трудно понять, почему — сталь относительно недорогая, ее очень много, из нее легко делаются детали сложных форм, и изделия из нее могут быть отремонтированы несложным набором инструментов.

Однако не так давно в автомобильной промышленности наблюдался всплеск использования альтернативных материалов. Наибольшей популярностью пользовался алюминий, из-за его легкости, прочности, и массовости. С другой стороны, он  требует гораздо больше энергии для производства и не так легко поддается обработке как сталь. Какие же еще альтернативы существуют?

Углепластик. Вы наверняка слышали про этот удивительный материал, который несомненно стал узнаваем за последние несколько лет, благодаря своему использованию в автомобильном мире. Углепластик легкий, прочный и из него можно сделать детали любых форм и размеров. Кроме того, выглядит он действительно здорово.

Что же такое  углепластик, он же карбон (carbon)?

Это состоящий из углеродного волокна и полимерных смол композитный материал. Волокна располагаются в матрице из полимерных смол (например эпоксидной). Углеродные волокна представляют собой тонкие волокна около 0.005-0.010 мм в диаметре, состоящие в основном из атомов углерода, соединенных вместе в микроскопические кристаллы, которые более или менее расположены параллельно длине оси волокна. Несколько тысяч волокон углерода скрученные в форме нитей могут быть использованы самостоятельно, или сплетены в ткань. Ткань из углеродного волокна тканей укладывается в нужную форму, как правило, вручную, после чего она запекается в полимере под давлением, и получается углепластик.

Так что же такого замечательного в углепластике?

Детали из него прочные и легкие, что идеально подходит для легковых и грузовых автомобилей (так же, как и для самолетов, лодок, и прочих транспортных средств), тоесть мы имеем на руках материал, который имеет хорошие аэродинамические свойства, достаточно безопасный, и легче чем сталь или алюминий. Как вы вероятно знаете, легкий автомобиль может использовать менее мощный двигатель, и как следствие — большую экономию топлива.

Почему бы не сделать все автомобили из углепластика?

Углепластик прочен и легок, но так же дорог в производстве и отнимает гораздо больше времени при изготовлении деталей по сравнению с другими конкурирующими материалами. Кроме того, сталь и алюминий можно относительно легко отрихтовать и отремонтировать после аварии (заварить например). Углепластик же при повреждении образует множество осколков, острых как бритва рваных краев, и так просто восстановить его не удастся.

Наконец, когда приходит время для замены автомобиля, существует целый ряд относительно простых шагов, которые могут быть предприняты для утилизации пластмассы, стали и алюминия. Углеплатик же не так легок и дешев в переработке и поэтому его вторичное использование под большим вопросом.

Итак, что же получается?

Углепастик будут продолжать использовать для суперкаров и гоночных автомобилей, благодаря его уникальным качествам. Тем не менее, пройдет еще немало лет, пока мы увидим его использование на серийных автомобилях. В то же время, технологии не стоят на месте, и возможно, скоро углепластик будет выглядеть как архаизм, так и не попадя в массовое производство.

Источник: Авто Релиз.ру.

Получение углепластика. Особенности и преимущества карбона

Правда, величие это недолговечно. Железобетон, самый популярный строительный материал XX века, увы, имеет короткий срок службы и 5 тысяч лет, как пирамиды Гизы, точно не выдержит. Однако способ продлить жизнь таким конструкциям существует. Московские ученые придумали прочную «одежду» для железобетона. Сейчас это последний писк в архитектурной моде. И не только.

Несмотря на то, что время Робина Гуда давно прошло, поклонников деревянного лука во всем мире еще не мало. Но профессиональные спортсмены выбирают современные технологии. Например, этот лук в два раза легче своего деревянного собрата, начальная скорость стрелы составляет 105 метров в секунду, прицельная дальность — 100 метров. Эти уникальные характеристики он получил благодаря материалу, из которого сделан — карбону.

Карбон или углепластик — этот материал хорошо известен не только в кругу спортсменов-лучников и охотников. Любой, кто хоть раз катался на современных горных лыжах, держал карбон в руках, ведь именно из него сделаны лыжные палки. Автолюбители грезят о капоте или бампере из карбона, велосипедисты все чаще отдают предпочтение карбоновой раме, а не алюминиевой. Даже у обычных бытовых предметов, вроде компьютерной клавиатуры или мышки, где суперсвойства ни к чему, дизайн бывает выполнен «под карбон». Однако есть целые отрасли промышленности, где как раз без суперсвойств этого материала уже не обойтись. Например, авиастроение.

« Здесь вы видите элемент крыла самолета, который полностью выполнен из углеродных материалов по новой технологии вакуумной инфузии. Основное отличие от алюминиевого традиционного крыла в том, что это изделие сделано полностью интегральным без применения каких-либо крепежных элементов и дополнительной сборки», — рассказывает Алексей Ульянов , заместитель начальника технологического департамента ЗАО «Аэрокомпозит».

— Сколько весит подобная деталь, выполненная из алюминия?

— Около 200 килограммов.

— Эта около 50 килограммов.

Несмотря на относительную легкость, этот фрагмент крыла может выдержать нагрузку почти в 2тысячи тонн. Кроме того, самолет с такими облегченными крыльями способен парить в воздухе подобно планеру, поэтому двигатели работают меньше, и это позволяет экономить в полете порядка 40 процентов топлива, а значит, и деньги пассажиров.

« Преимущество углеродных материалов в том, что конструктор может создать свойства конечного изделия по своему усмотрению, собирая различные компоненты, поэтому здесь применяются специальные материалы, рассчитанные под авиастроение, для которых перепады температур на земле и в воздухе не играют никакого значения», — поясняет Алексей Ульянов .

Углеродная ткань — вот как выглядит этот удивительный материал. Обратите внимание, будущий элемент крыла самолета выкраивается из него, словно рукав для какого-нибудь большого костюма. Правда, слоев у такого рукава будет гораздо больше. Например, в этой детали их восемьдесят два.

Каким же образом обычная с виду ткань превращается с столь прочную конструкцию, которая способна выдерживать многотонные нагрузки и такие удары? Все дело в инфузионной технологии. Нарезанная и уложенная в нужную форму ткань помещается в вакуумный модуль и затем отправляется в большую печь. Туда по специальным патрубкам подается другой важнейший компонент — смола, которая связывает все слои ткани между собой в один монолит. Мировые лидеры авиастроения, такие как Boeing и Airbus, тоже используют в своих самолетах углепластики, но технология, разработанная в московской лаборатории компании «Аэрокомпозит», им пока не по зубам. А через год-другой конкурентов в этой области у России может вообще не остаться.

« Мы заканчиваем строительство двух серийных заводов. Один завод будет изготавливать как раз по технологии, которую вы здесь видите, основные силовые элементы, кессоны крыла. Запускаем мы его через два месяца, начало опытной эксплуатации и первое опытное крыло ОАК и «Аэрокомпозит» выдаст в середине следующего года. Второй завод в городе Казани, который будет делать элементы механизации и рули направления высоты. Это завод, который мы делаем вместе с нашими австрийскими партнерами, компанией Fischer. Он будет работать как на российские программы, так и обширные экспортные программы по заказу компании Fischer», — сообщил Анатолий Гайданский , президент ЗАО «Аэрокомпозит».

Единственное, в чем проигрывают на этом карбоновом поле российские производители — качество самого углеродного волокна, поэтому авиастроителям пока приходится использовать импортное сырье. Впрочем, скоро все изменится. В столичном технопарке «Москва» над разработкой и созданием конкурентоспособных углеродных тканей работает целая команда из ученых, инженеров и испытателей. В правительстве Москвы давно поняли, что за такими инновациями будущее, и создали ученым максимально комфортные условия для работы.

« Вот это последние образцы углепластика, они прочнее стали в четыре раза, сейчас я это вам докажу на разрывной машине. Для этого закрепляем образец в клеммы и производим испытание. Ну вот, наш образец выдержал две тонны», — показывает Антон Евдокимов , инженер испытательной лаборатории.

— Что может создать подобную нагрузку?

— Подобные нагрузки могут создавать, например, два внедорожника, тянущие данный образец в разные стороны на первой передаче.

— Получается, что сталь такой нагрузки бы даже не выдержала?

— Нет, конечно. Она бы выдержала в четыре раза меньше нагрузку, сопоставимую где-то с 500-700 кг, не больше.

Самое удивительное, что этот прочнейший на разрыв материал делают из жидкости. Точнее, из полиакрилонитрила.

Полиакрилонитрильное волокно изготавливают экструзионным способом. Проще говоря, полимер продавливают через специальную фильеру. В этой насадке, на вид полностью однородной, на самом деле есть сотни тончайших отверстий диаметром всего в семьдесят микрон, это средняя толщина человеческого волоса. Как только ее опускают в воду и подают давление, приглядевшись, можно увидеть тонкие белесые ниточки, выходящие из фильеры непрерывным потоком.

Проходя через эти горячие ванны со специальным раствором, полимерное волокно утончается примерно в шесть раз, с семидесяти микрон до двенадцати. Но благодаря тому, что молекулы в них выстраиваются определенным образом, эта нить становится только прочнее. В результате после многочисленных операций с полиакрилонитрилом происходит удивительная метаморфоза, и жидкий полимер становится прочным волокном.

« Это еще не конечный продукт, а лишь сырье для получения углеродного волокна. Прежде чем получить углеродное волокно, вот это полиакрилонитрильное волокно должно пройти процесс высокотемпературной обработки, а так же окисления, графитизации, а так же карбонизации», — объясняет Элина Билевская , представитель компании «Композит».

Получив очередную опытную партию сырья, исследователи проводят тщательный анализ изготовленного материала, затем корректируют настройки оборудования и запускают процесс по новой. Как говорится, совершенству нет предела.

« Наша задача — получить более экологически чистое волокно и удешевить технологию его получения. Что нам, по сути, и удается. За последний год мы разработали примерно сто опытных образцов, которые были в дальнейшем переданы для переработки в углеродное волокно. Мы непрерывно проводим исследования формования нашего волокна, а так же непосредственно физико-механических свойств полученного волокна», — говорит Денис Фокин , инженер-исследователь.

Несколько наиболее удачных разработок, вышедших из стен этой лаборатории в технопарке «Москва», уже с успехом используются в строительстве. Например, углеволокно добавляют в строительные растворы типа газо- и пенобетона, значительно увеличивая их технические характеристики. А в Челябинске уже не на опытном, а в серийном производстве налажен выпуск специальных углеволоконных лент, которые используются в ремонте и усилении железобетонных конструкций. Но так ли хороша эта технология на практике как на словах? Сейчас и узнаем.

Проведем показательный эксперимент. Представим, что это два автомобильных моста. На самом деле — это самая обыкновенная деревянная линейка в 30 сантиметров. А рядом тоже деревянная линейка, но с одной стороны она армирована углеволокном. Итак, начнем эксперимент. Для начала мы испытаем наш деревянный мост. Он ломается на третьем кирпиче. Теперь проверим линейку с углеволокном. Раз кирпич, два, три, четыре — линейка не сломалась, сломались опоры моста. Теперь я убедился, что конструкция, усиленная углеволокном, намного прочнее.

Типовая московская многоэтажка. С виду дом в неплохом состоянии, в его внешнем облике нет никаких признаков серьезных разрушений. Однако они уже происходят. В подвале дома на несущих конструкциях появились трещины. Пока не большие, но уже очень опасные. Если внутрь попадет влага, металлическая арматура заржавеет, сам бетон начнет расширяться, коррозировать и перекрытие может обвалиться.

«Чтобы эти трещины не появлялись снова, а эта еще сильнее не раскрывалась, мы ее усиливаем. На аналогичном участке у нас сейчас производятся работы», — показывает инженер Алексей.

Вот как на самом деле можно спасти любую железобетонную конструкцию от разрушения и вредного воздействия внешней среды. Здесь, в подвале дома, по сути, выполняется тот же самый технологический процесс создания углепластика, который мы видели на производстве авиационных деталей. Только здесь связующая смола наносится прямо на бетон. Углеволоконная лента нужной ширины прикатывается к обработанной поверхности и сверху покрывается еще одним слоем эпоксида. Через несколько часов, когда смола затвердеет, все трещины на поверхности железобетонного перекрытия будут уже надежно защищены слоем карбона толщиной в три миллиметра.

« Очевидное преимущество данной технологии в том, что этот участок перекрытия бригада из трех человек выполнила за четыре часа. Если бы усиление производилось классическими методами, например, при помощи металлических рам, времени бы ушло порядка трех дней, а через пять лет в данном сыром подвале метал снова бы начал коррозировать, пришлось бы возвращаться и переделывать», — поясняет строитель Алексей.

Спектр применения этой технологии в строительстве огромен. Ремонт железобетонных перекрытий, усиление опор многочисленных мостов и эстакад. Поскольку углепластику не страшна водная среда, его можно использовать при возведении и технологическом обслуживании дамб и подземных коммуникаций. Однако пока не многие строительные компании готовы широко использовать этот материал. Все дело в том, что на применение углепластиков в России до сих пор полностью не разработаны ни ГОСТы, ни СНиПы. Даже в профильных строительных вузах студентов учат на традиционных материалах — дерево, кирпич, железобетон. Как только в системе образования и стандартизации устранят этот досадный пробел, у многих архитектурных творений прошлого наконец появится прочный, карбоновый шанс на вторую молодость.

Карбон (материал)

Углепластик — полимерный композиционный материал из переплетенных нитей углерода, расположенных в матрице из полимерных (например, эпоксидных) смол.

Основная составляющая часть углепластика – это нити углерода (по сути, тоже самое что и, например, стержень в карандаше). Такие нити очень тонкие, сломать их очень просто, а вот порвать достаточно трудно. Из этих нитей сплетаются ткани. Они могут иметь разный рисунок плетения (ёлочка, рогожа и проч.). Для придания еще большей прочности данные ткани из нитей углерода кладут слоями, каждый раз меняя угол направления плетения. Слои скрепляются с помощью эпоксидных смол. Применяется для изготовления лёгких, но прочных деталей, например: кокпиты и обтекатели в Формуле 1 , спиннинги , мачты для виндсерфинга , бамперы и пороги на спортивных автомобилях, несущие винты вертолётов .

Нити углерода обычно получают термической обработкой химических или природных органических волокон, при которой в материале волокна остаются главным образом атомы углерода.

Температурная обработка состоит из нескольких этапов.

Первый из них представляет собой окисление исходного (полиакрилонитрильного, вискозного) волокна на воздухе при температуре 250 °C в течение 24 часов.

В результате окисления образуются лестничные структуры.

После окисления следует стадия карбонизации — нагрева волокна в среде азота или аргона при температурах от 800 до 1500 °C. В результате карбонизации происходит образование графитоподобных структур.

Процесс термической обработки заканчивается графитизацией при температуре 1600-3000°С, которая также проходит в инертной среде. В результате графитизации количество углерода в волокне доводится до 99 %.

Помимо обычных органических волокон (чаще всего вискозных и полиакрилонитрильных), для получения нитей углерода могут быть использованы специальные волокна из фенольных смол, лигнина, каменноугольных и нефтяных пеков.

Кроме того, детали из карбона превосходят по прочности детали из стекловолокна.

Детали из карбона обходятся значительно дороже аналогичных деталей из стекловолокна.

«Дороговизна» карбона вызвана, прежде всего, более сложной технологией производства и большей стоимостью производных материалов.

Например, для проклейки слоев используются более дорогие и качественные смолы, чем при работе со стеклотканью, а для производства деталей требуется более дорогое оборудования, к примеру, такое как автоклав .

Недостатком карбона является боязнь «точечных» ударов. Например, капот из карбона может превратиться в решето после частого попадания мелких камней. В отличие от металлических деталей или деталей из стеклоткани, восстановить первоначальный вид карбоновых деталей невозможно. Поэтому, после даже незначительного повреждения всю деталь придется менять целиком. Кроме того, детали из карбона подвержены выцветанию под воздействием солнечных лучей.

Применение

Корпус зеркала гоночного автомобиля из углепластика

Используется вместо металлов во многих изделиях, от частей космических кораблей до удочек

• ракетно-космическая техника
• авиатехника (самолетостроение, вертолетостроение)
• судостроение (корабли, спортивное судостроение)
• автомобилестроение (спортивные автомобили, мотоциклы, тюнинг и отделка)
• наука и исследования
• спортивный инвентарь (велосипеды,роликовые коньки, удочки)
• медицинская техника
• рыболовные снасти (удилища)
• телефоно- и ноутбукостроение (отделка корпусов)

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое «Карбон (материал)» в других словарях:

Карбон: Карбон материал Карбон (геологический период) Carbon рабочая среда приложений, являющаяся упрощённой и обновлённой версией предыдущей рабочей среды Apple Mac OS 9. Need for Speed: Carbon компьютерная игра … Википедия

Самая крупная среди союзных республик CCCP по терр. и населению. Pасположена в вост. части Eвропы и в сев. части Aзии. Пл. 17,08 млн. км2. Hac. 145 млн. чел. (на 1 янв. 1987). Cтолица Mосква. B состав РСФСР входят 16 авт. республик, 5 авт … Геологическая энциклопедия

У этого термина существуют и другие значения, см. Клюшка. Хоккейная клюшка полевого игрока и вратаря. Клюшка для хоккея с шайбой – спортивный снаряд, используемый в х … Википедия

Луций Корнелий Цинна (лат. Lucius Cornelius Cinna, ум. 84 до н. э.) древнеримский политический деятель, знаменитый представитель партии популяров в Риме в последнем веке существования республики. О жизни его до времени выступления на политическую … Википедия

Луций Корнелий Цинна (лат. Lucius Cornelius Cinna, ум. 84 до н. э.) древнеримский политический деятель, знаменитый представитель партии популяров в Риме в последнем веке существования республики. О жизни его до времени выступления на политическую … Википедия — твёрдые горючие полезные ископаемые осадочного происхождения. В состав У. и. входят: органическое вещество продукт преобразования высших и низших растений с участием микроорганизмов планктона, минеральные примеси (условно не более 50%) и… … Большая советская энциклопедия

Стальная рама и вилка из карбонового волокна от шоссейного велосипеда 2000 г., LeMond Zurich … Википедия

Карбон (или углеродное волокно) представляет собой множество тончайших нитей (диаметр 0,09 мм) углерода, прочность которых сравнима с легированной сталью при гораздо меньшей массе (примерно, как у алюминия). Из этих нитей сплетают волокно; в результате получается очень прочная ткань. Волокна могут располагаться хаотично, а могут быть и в виде плетения.

Исходным материалом для получения углеродного волокна служит полиакрилонитрил – вещество белого цвета, по свойствам напоминающее шерсть. Его несколько раз нагревают в среде инертных газов. На первом этапе при температуре в +260оС изменяют структуру вещества (на молекулярном уровне), затем уже при +700оС углеродные атомы «заставляют сбросить» водород. Постепенно, за несколько раз нагревов доводят до +3000оС, — данный процесс называют графитизацией. В результате углерода становится больше, а связь между его атомами прочнее. Упрощенно говоря, карбоном можно считать углеродное волокно, нагретое до обугливания.

Характеристики карбона и применение

Одно из главных положительных качеств карбона – высокая прочность, достигающая 1500 кг/куб. м. При этом прочность на растяжение достигает 1800 мПа. Температурный предел этого материала составляет +2000оС. Нити углеродного волокна хорошо работают только на растяжение, поэтому изготовление жесткой конструкции весьма проблематично. Карбон достаточно хрупок, при ударе крошится, поэтому отремонтировать деталь практически невозможно. При постоянном воздействии ультрафиолета углеволокно теряет первоначальный цвет. Однако положительные свойства перекрывают минусы; подтверждением этого служит изготовление из него тормозных дисков, колодок для спортивных машин, не говоря уже о космической технике.

Одной из характеристик карбона является удельная масса (или плотность ткани), выражаемая в г/кв. м. Этот параметр зависит от толщины волокна, в котором может быть несколько тысяч нитей. Например, если в маркировке присутствует обозначение 2К, то в волокне находится 2000 нитей. Самый прочный карбон обозначают аббревиатурой UHM. Помимо плотности, важной характеристикой является способ плетения нитей (в наиболее дешевом материале оно отсутствует).

При тюнинговании автотранспорта чаще всего используют такие типы плетения, как Twill, Satin, Plain. Наиболее распространенное число нитей в волокне – от 1 до 24К. Последний тип ткани широко используется при изготовлении военной техники, испытывающей огромные нагрузки.

Что такое карбон?

Карбон – это техническая ткань, состоящая из тысяч переплетенных между собой углеродных волокон, образующих ту самую ткань. Карбон выпускается в виде тканей с самыми разнообразными переплетениями в зависимости от целевого применения и является всего лишь одной частью конструкционных материалов, включающих в себя много частей, которые известны всем, как композитные материалы. Композиты производятся из составляющих, которые объединяют в себе качества разных материалов, а целью является отсутствие жесткости или получение прочности. В случае с карбоном, стекловолокном, Кевларом или другими аналогичными тканями, композитный материал, о котором идет речь, носит название «FRP» (Fiber Reinforced Polymer – полимер, армированный волокнами). В производстве такого полимера ткань используется для того, чтобы «усилить» конструкционную жесткость смолистого подслоя. Смола обеспечивает прочность композита, а карбон добавляет структурную целостность пластику, который в ином случае будет хрупким.

Как производится карбон?

Карбон (углеволокно), как видно из его названия, это ткань, состоящая только из угля и не имеющая иных элементов в своем составе. Но начинать производство просто с карбона и с создания ткани с переплетениями волокон было бы настоящим, но труднодостижимым, подвигом. Вместо использования карбона в качестве сырья, заводы по производству текстиля начинают с пластмасс с более сложным молекулярным составом, где толщина нити меньше толщины человеческого волоса. Затем требуется выполнить ряд определенных действий, начиная от термообработки и заканчивая химической обработкой. Окончательным результатом этих сложных процессов является доводка состава полимерных материалов до его самой эмпирической формы – формы чистого карбона.

Карбон часто замеряется и продается с ориентиром на несколько критериев, на тип плетения волокон, на абсолютные значения (измерение прочности отдельно взятого волокна) и вес ткани. Все замеры идут в унциях на квадратный ярд, плюс указывается количество волокон (обычно в диапазоне от 3 000 до 12 000 волокон).

Какие существуют типы переплетения?

Однонаправленное плетение:

Однонаправленное плетение подразумевает направление всех карбоновых жгутов (волокон) в одном и том же направлении. Плетение в этом стиле не является видимым невооруженному глазу. Поскольку плетение, как таковое, отсутствует, нити волокна необходимо как-то удерживать вместе. И в этом случае необходимо протягивать другую нить по диагонали или перпендикулярно так, чтобы ткань оставалась гладкой и равномерной (и этот элемент плетения не является конструкционным). В результате того, что жесткость ткани обеспечивается только в одном направлении, такой тип плетения редко применяется в автоспорте, где нагрузка может идти в любом направлении.

Двунаправленное плетение волокон:

Карбон двунаправленного плетения – это базовый и наиболее часто встречающийся тип переплетения волокна. Жгуты переплетаются друг с другом под требуемым углом, за счет чего ткань получает структуру типа «шахматная доска», где нити полотна прокладываются боком и по вертикали. В этом случае все волокна направлены таким образом, чтобы нагрузка могла налагаться в любом направлении, при этом композитный материал должен сохранять свою прочность.

Плетение по диагонали в две через две нити

Плетение по диагонали в две через две нити – это самый распространенный тип плетения карбона, который повсеместно применяется в автоспорте. Это плетение немного сложнее по сравнению с двунаправленным волокном, поскольку две нити проходят над другими двумя нитями, либо одна над двумя или две над одной. В результате такого переплетения нитей на ткани создается рисунок «елочка». Из-за того, что плетение две через две нити по диагонали идет как с вертикальными, так и с горизонтальными нитями (нить основы и уток), ткань становится очень гибкой и может принимать различные сложные формы. При работе с карбоном этого типа плетения не требуется выполнять такие работы, как «пакетирование», «растягивание» или резка.

Плетение по диагонали в четыре через четыре нити

Аналогично плетению по диагонали в две через две нити, а именно в четыре через четыре нити, этот тип относится к двустороннему переплетению по диагонали, где один жгут включает в себя четыре нити. В результате ткань не настолько плотная по сравнению с плетением в две через две нити, но в случае с изогнутыми поверхностями достигается лучший коэффициент покрытия, поскольку между фактическими точками переплетения «над и под» расстояние больше, что эффективнее, поскольку в этом случае достигается меньшее количество жестких швов. Благодаря этому покрытие карбоном изогнутых литых форм становится простым.

Прорезиненное переплетение

Прорезиненная карбоновая ткань – это очень специфический способ изготовления ткани, который встречается намного реже по сравнению со всеми типами плетения, которые мы обсуждаем. Прорезиненное плетение волокон означает, что каждая прядь состоит от 3000 до 12000 нитей, при этом каждая нить выкладывается плотно в ряд, одна за другой, образуя тончайшую карбоновую ленту. Стандартные пряди соединяются вместе посредством нескольких слоев карбоновых нитей. Прорезиненную ткань можно определить за счет наличия широких открытых участков. За счет шахматного порядка двунаправленного карбонового волокна со структурой прорезиненной ткани образуются квадратные участки размером один дюйм.

Поскольку за счет крупного размера этих участков переплетения ткань теряет в своей плотности, точки плетения «над и под» находятся на большом расстоянии друг от друга. Итак, точки пересечения нитей находятся на расстоянии друг от друга, частота изменения направления сильно снижена, и ткань может намного плотнее прилегать к поверхности.

Как было описано на сайте, английском поставщике материалов и полимеров, «прорезиненные ткани набирают свою популярность в сфере применения высокотехнологичных композитов благодаря своему невероятно плоскому профилю, который практически исключает так называемый «копир-эффект» и эффект проявления определенной текстуры на поверхностях, требующих идеальной гладкости (например, крылья самолета).

Поскольку слой ткани намного тоньше, можно накладывать слой поверх другого слоя и тем самым достичь необходимых прочностных характеристик. Этот тип карбона часто используется в тех сферах, где аэродинамические характеристики преобладают над прочностными. Прорезиненная ткань имеет внешний вид, отличный от стандартного, который сразу вызывает или любовь, или ненависть.

Различные смолы

Карбоновая ткань является только одной составляющей композитного материала, на который ссылаются, когда говорят об автоспорте и гонках на треках. Другим важным компонентом является смола, которая обогащает саму ткань и придает ей фактическую жесткость. Смолы применяются в различных полимерных «блюдах». Два наиболее часто используемых материала — это эпоксидная смола и полиэфирная смола. Любой, кто когда-либо работал со стекловолокном, чтобы просто починить хоть свою доску для серфинга, хоть деталь от автомобиля, знает, что эта смола может оказаться самой настоящей проблемой. Летучие органические соединения (ЛОС) – это пары, которые являются отличительной чертой многих вид смол, хотя в свободном доступе есть и такие, в которых эти химические составляющие, способные повредить ваш мозг, не применяются. Практически всем известен обратный эффект работы со смолой, когда надлежащие средства индивидуальной защиты не используются, но при этом развивается гиперчувствительность и аллергия. И эти случаи стали уже настолько привычными, что мы часто слышим анекдоты про людей, не способных находиться в помещении, в котором идет работа со смолой.

Эпоксидная смола

Эпоксидная смола – это самая распространенная многоцелевая структурная смола. Как и в случае с практически всеми типами смол, это двухкомпонентный раствор из смолы и катализатора. Время реакции варьируется, но при этом напрямую зависит от условий окружающей среды. Срок годности (рабочее время), в основном, составляет от пяти до тридцати минут. В общем, тепловое воздействие всегда ускоряет процесс «созревания», но весь процесс схватывания обычно занимает, ни много, ни мало, а целые сутки (24 часа) – если на смесь никак не воздействовать. По сравнению с полиэфирной смолой эпоксидная смола отличается более высокой прочностью, но требует терпения при работе с ней.

Полиэфирная смола

Полиэфирная смола – это более дешевая альтернатива эпоксидной смоле, с быстрым временем схватывания. В основном, она используется в тех ситуациях, когда структурная целостность уступает эстетической стороне вопроса, как утверждают специалисты с сайта easycomposites.co.uk: «Тем не менее, существуют ситуации, в которых многослойная структура имеет наименьшее значение, а такие свойства, как внешний вид, стойкость к УФ излучению и цена, стоят на первом месте по своей значимости».

Препреги (ткани с предварительной пропиткой)

Некоторые ткани из карбона могут выпускаться, как предварительно пропитанные раствором смолы, где катализатором выступает термообработка. Препреги используются во многих промышленных сферах, занятых производством композитов, поскольку их применение не требует выполнения каких-то сложных процессов, а при непосредственной работе беспорядок сведен к минимуму: нужно всего лишь смешать смолы и уложить влажную ткань слоями.

Препреги также являются предпочтительным материалом в тех сферах промышленности, где вес играет важную роль. К таким сферам относится авиация, где большая часть от массы деталей приходится на смолу, а не на ткань. С учетом того минимума, который нужен для тщательной и равномерной пропитки ткани смолой, препрег может применяться для создания самой прочной и легковесной конструкции.

Производственные процессы

Влажные выкладки

Традиционно небольшие детали выкладываются во влажном состоянии, вместе с вогнутой формой, затем создается пробка (но это уже другая история). Сухая ткань размещается внутри формы. Смола наносится малярной кистью до тех пор, пока ткань не будет ей насквозь пропитана или насыщена. Следующие слои ткани кладутся поверх первого слоя, при этом нужно соблюдать направление плетения: 45 градусов для двунаправленного плетения и 90 градусов для ткани с саржевым переплетением. Если слои ткани не совпадают по направлениям, на выходе деталь потеряет свою жесткость по одной оси, а по другой будет слишком усилена.

Уложив, таким образом, столько слоев ткани, сколько необходимо для получения нужной толщины, излишек смолы соскребается с помощью скребка так, будто вы убираете воду со своего ветрового стекла. Затем деталь подвергается обработке в вакуумном мешке под низким давлением. В результате смола заполняет все оставшиеся воздушные пустоты, вытесняя тем самым мельчайшие воздушные пузырьки, а излишки смолы уходят.

В некоторых случаях все эти манипуляции выполняются в обратном порядке. Сухая ткань подвергается обработке в вакуумном мешке в форме, и только затем наносится смола. Благодаря этому методу отходы и грязь отсутствуют. На финальном этапе проходит термообработка. Все детали «запекаются» внутри духовки под давлением, так называемом автоклаве, и смола полностью схватывается.

Хотя большинство не имеет доступа к специализированному оборудованию, такие процедуры, как обработка в вакуумном мешке и запекание в автоклаве являются факультативными для рабочих деталей, структура которых не должна отвечать специфическим требованиям.

Сферы применения

Карбон набрал свою силу в автомобильной сфере промышленности. На вторичном рынке карбон – это материал, который чаще всего используется для покрытия деталей. Кузовные детали, детали для внутренней отделки салона – и все это выполнено из карбона, который обеспечивает автомобилю внешний вид высочайшего класса. Функционально детали из карбона применяются практически во всех сферах – начиная от автомобильной промышленности, продолжая судостроением и заканчивая авиацией.

Карбон используется в постройке гоночных кресел, карданных валов, таких защитных приспособлений, как шлемы и средства пассивной безопасности (подголовники), и даже технология производства составных пружин начинает применять карбон для систем подвесок.

Карбон – это не панацея

Привлекательность карбона настолько высока для многих, что сегодня существует тенденция неверного использования этого материала в тех сферах, где наилучшим решением до сих пор является металлический сплав. Карбон, а особенно смола, плохо переносят работу в высокотемпературной среде, с теплозащитой, с компонентами выхлопной системы или любыми другими деталями двигателя. Когда в этих случаях карбон выбирается в качестве исходного материала, следует очень тщательно проводить оценку рабочих условий. Существуют жаропрочные смолы, но сфера их применения до сих пор имеет свои ограничения.

Сопротивление удару

Карбон может похвастаться тем, что эта (уже ставшая крылатой) фраза полностью отвечает его сущности: чем легче алюминий, тем прочнее сталь. Хотя это действительно правда, важно понимать, что речь идет о прочности на разрыв, а не об ударной вязкости или жесткости. С инженерной точки зрения «ударная вязкость» — это технический термин, который говорит об износостойкости, поскольку этот композит является армированным слоистым полиэстером, сопротивление удару которого — низкое. И даже слабый точечный удар может привести к отслаиванию и, в кончено итоге, выходу материла из строя. По этой причине карбон не может применяться для создания износостойких или многоразовых опорных плит седельно-сцепного устройства удовлетворительного качества, для производства различных компонентов подвески или любых других деталей, которые эксплуатируются в условиях максимальной нагрузки.

Проводимость

Карбон является проводимым материалом! Чистый карбон чрезвычайно эффективно передает тепло сам по себе. Например, капот автомобиля, выполненный из карбона, может очень быстро нагреваться на солнце до нескольких сот градусов. Ультрафиолетовые лучи могут повредить композит: придать ему желтый оттенок или стать причиной растрескивания смолы, поэтому деформация является распространенным дефектом. В авиации многие запчасти из карбона покрываются глянцевой белой краской, поскольку тепло, образующееся от воздействия УФ лучей, может деформировать раму, оказать негативное воздействие на аэродинамические характеристики. Кроме того, УФ лучи могут как-то иначе изменить структуру самолета.

Карбон – это еще и электропроводящий материал. Возможно, вас смутит то, каким же образом композит на основе пластмассы может вдруг стать электропроводящим, но ткань из чистого карбона «прокладывает» своеобразный путь электричеству, даже если карбон обогащен изоляционным полимером. Когда карбон выбирается в качестве поверхности для электроники или в качестве кожуха охлаждающего вентилятора, убедитесь в наличии заземления, которое не должно «проходить» через карбон. Анекдот из жизни: мы как-то были свидетелями чуть не начавшегося возгорания в двигателе владельца грузовика Geiser Trophy, поскольку он просто-напросто не верил, что карбон является проводимым материалом, а возгорание смолы – это вам не шутки.

Работа с карбоном

Если стекловолокно когда-нибудь попадало вам на кожу, то вы знаете, как сильно раздражают эти невидимые глазу частички. А карбон гораздо хуже! Избегайте прикасаться голыми руками к рваным краям карбона и к рубленому волокну.

При заказе ткани из карбона важно убедиться, что он поставляется в рулонах, как оберточная бумага. Карбон, упакованный «сложениями», будет иметь загибы и, в результате, конструкционная целостность его загнутых волокон будет нарушена. Соблюдайте эти инструкции при работе с материалом, и храните ткань в чистоте во избежание появления пыли и жирных отпечатков пальцев, обеспечивая при этом максимально правильную укладку. Смешивать смолу необходимо в небольших емкостях, что является нормой. Будьте внимательны, смолу нельзя смешивать в емкостях, покрытых воском. Воск вступает в реакцию со смолами, в результате чего смола затвердевает. Затвердевание смолы – это экзотермическая реакция, что значит нагнетание тепла в качестве побочного продукта в результате химической реакции. Смешивая большое количество смолы, убедитесь, что ее излишки находятся вне зоны хранения горючих материалов, иначе существует высокий риск возникновения пожара.

Заключение

Объем базовых знаний, которые мы даже не затронули в этой статье, просто огромен. Но мы надеемся, что этот общий обзор помог вам лучше представить себе, что такое карбон. Это крайне универсальный и прочный материал, если с ним обращаться с умом. Но если его использовать неверно, он становится самым настоящим бельмом на глазу. Создание простых деталей в домашних условиях не представляет собою никаких сложностей, но приготовьтесь выделить немного больше времени на работу с ним по сравнению со стекловолокном. Учитывайте в своем проекте все – цели, бюджет. И только потом принимайте решение, является ли карбон правильным выбором или вам просто хочется добавить эстетики своему автомобилю?

Данные взяты с сайта: tourerv.ru

Карбоновое волокно

С середины прошлого века многие страны проводили эксперименты с получением карболового волокна. В первую очередь в этом материале были заинтересованы, конечно, военные. В свободную продажу карбон поступил только в 1967 году. Первой фирмой, занявшейся реализацией нового материала, стала британская фирма Morganite Ltd. При этом продажа углеволокна, как стратегического товара, была строго регламентирована.

Достоинства и недостатки

Наиболее важное достоинство углеволокна – это высочайшее отношение прочности к весу. Модуль упругости лучших «сортов» углеволокна может превышать 700 ГПа (а это нагрузка 70 тонн на квадратный миллиметр!), а разрывная нагрузка может достигать 5 ГПа. При этом карбон на 40% легче стали и на 20% легче алюминия.

Среди недостатков карбонового волокна: длительное время изготовления, высокая стоимость материала и сложность в восстановлении поврежденных деталей. Еще один недостаток: при контакте с металлами в соленой воде углепластик вызывает сильнейшую коррозию и подобные контакты следует исключать. Именно по этой причине карбон так долго не мог войти в мир водного спорта (недавно этот недостаток научились обходить).

Другое важное свойство карбона – низкая способность к деформации и небольшая упругость. При нагрузке карбон разрушается без пластической деформации. Это означает, что карбоновый монокок будет защищать гонщика от сильнейших ударов. Но если не выдержит – то не погнется, а сломается. Причем разлетится на острые куски.

Получение карбонового волокна

На сегодняшний день существуют несколько способов получения углеволокна. Основные: химическая осадка углерода на филамент (носитель), выращивание волоконноподобных кристалов в световой дуге, и построение органических волокон в специальном реакторе – автоклаве. Последний способ получил наибольшее распространение, но и он довольно дорог и может применяться только в промышленных условиях. Сначала нужно получить нити углерода. Для этого берут волокна материала с названием полиакрилонитрил (он же PAN), нагревают их нагреваются до 260°С и окисляют. Полученный полуфабрикат нагревается в инертном газе. Долговременное нагревание при температурах от нескольких десятков до нескольких тысяч градусов Цельсия приводит к процессу так называемого пиролиза – с материала убывают летучие составляющие, частицы волокон образуют новые связи. При этом происходит обугливание материала – «карбонизация» и отторжение неуглеродный соединений. Завершающий этап производства углеволокна включает в себя переплетение волокон в пластины и добавление эпоксидной смолы. В результате получаются листы черного углеволокна. Они имеют хорошую упругость и большую нагрузку на разрыв. Чем больше проводит времени материал в автоклаве, и чем больше температура, тем более качественный получается карбон. При изготовлении космического углеволокна температура может достигать 3500 градусов! Самые прочное сорта проходят дополнительно еще несколько ступеней графитирования в инертном газе. Весь этот процесс очень энергоемкий и сложный, потому карбон заметно дороже стеклопластика. Осуществить процесс дома не пытайся, даже если у тебя есть автоклав – в технологии множество хитростей…

Карбон в автомире

Появление карбона не могло не заинтересовать конструкторов гоночных автомобилей. К моменту появления углеволокна на трассах F1, почти все монококи делались из алюминия. Но у алюминия были недостатки, в числе которых его недостаточная прочность при больших нагрузках. Увеличение прочности требовало увеличения размеров монокока, а следовательно и его массы. Купить карбоновое волокно оказалось великолепной альтернативой алюминию.

Первым автомобилем, шасси которого было выполнено из углеволокна, стал McLaren МР4. Путь карбона в автоспорте был тернист и заслуживает отдельного рассказа. На сегодняшний день карбоновый монокок имеют абсолютно все болиды Формулы-1, а так же практически все «младшие» формулы, ну и большинство суперкаров, естественно. Напомним, монокок – это несущая часть конструкции болида, к нему крепятся двигатель и коробка, подвеска, детали оперения, сидение гонщика. Одновременно он играет роль капсулы безопасности.

Тюнинг

Когда мы говорим «карбоновое волокно», то вспоминаем, конечно, капоты тюнинг-каров. Однако сейчас нет кузовной детали, которая не могла бы быть сделана из карбона – не только капоты, но и крылья, бампера, двери и крыши… Факт экономии веса очевиден. Средний выигрыш в весе при замене капота на карбоновый составляет 8 кг. Впрочем, для многих главным будет тот факт, что карбоновые детали практически на любой машине выглядят безумно стильно!

Карбон появился и в салоне. На крышках тумблеров из углеволокна много не сэкономишь, но эстетика – вне сомнений. Салонами с элементами карбона не брезгуют ни Ferrari, не Bentley.

Но карбоновое волокно это не только материал дорогого стайлинга. Например, он прочно прописался в сцеплении автомобилей; причем из углеволокна делают и фрикционные накладки, и сам диск сцепления. Карбоновая «сцепа» имеет высокий коэффициент трения, мало весит, и в три раза сильнее сопротивляются износу, чем обычная «органика».

Другой областью применения карбона стали тормоза. Невероятные характеристики тормозов современной F1 обеспечивают диски из карбона, способные работать при высочайших температурах. Они выдерживают до 800 циклов нагрева за гонку. Каждый из них весит менее килограмма, тогда как стальной аналог как минимум в три раза тяжелее. На обычную машину карбоновые тормоза пока не купить, но на суперкарах подобные решения уже попадаются.

Другой часто используемый тюнинг-девайс – прочный и легкий карбоновый карданный вал. А еще недавно прошел слух, что Ferrari F1 собирается установить на свои машины карбоновые коробки передач…

Наконец, карбон обширно применяется в гоночной одежде. Карбоновые шлемы, ботинки с карбоновыми вставками, перчатки, костюмы, защита спины и.т.д. Такой «экип» не только лучше смотрится, но и повышает безопасность и снижает вес (очень важно для шлема). Особой популярностью карбон пользуется у мотоциклистов. Самые продвинутые байкеры одевают себя в карбон с ног до головы, остальные тихо завидуют и копят деньги.

Новая религия

Незаметно и тихо подкралась новая карбоновая эпоха. Карбон стал символом технологий, совершенства и нового времени. Его используют во всех технологичных областях – спорт, медицина, космос, оборонная промышленность. Но улеволокно проникает и в наш быт! Уже можно найти ручки, ножи, одежду, чашки, ноутбуки, даже карбоновые украшения… А знаешь, в чем причина популярности? Все просто: Формула 1 и космические корабли, снайперские винтовки последних образцов, монококи и детали суперкаров – чувствуешь связь? Все это лучшее в своей отрасли, предел возможностей современных технологий. И люди, покупая карбон, покупают частичку недосягаемого для большинства совершенства…

Факты:

в листе карбона толщиной 1 мм 3-4 слоя углеродных волокон

в 1971 году британская фирма Hardy Brothers первая в мире представила удилища для ловли рыбы из углеволокна

сегодня из карбона изготавливают высокопрочные канаты, сети для рыбодобывающих судов, гоночные паруса, двери кабины пилотов самолетов, пуленепробиваемые защитные армейские каски

для спортивной стрельбы из лука на длинные дистанции спортсмены-профессионалы обычно используются стрелы из алюминия и карбона.

На Essen Motor Show мы увидели у одного сотрудника стенда AutoArt чумовое карбоновое кольцо на пальце. На просьбу показать товар в своем бескрайнем каталоге он ответил, что это вообще-то просто карбоновая втулка, которую он снял со своего велосипеда…

Углеродные волокна: производство, свойства и возможности использования

Пуджа Бхатт и Алка Го

Старший научный сотрудник, профессор и руководитель отдела одежды и текстиля, G.B.P.U.A and T, Пантнагар

Автор, ответственный за переписку Электронная почта: [email protected]

DOI: http://dx.doi.org/10.13005/msri/140109

История публикации статьи
Статья получена: 30 мая 2017 г.
Статья принята: 5 июня 2017 г.
Статья опубликована: 9 июня 2017 г.
Проверка на плагиат: Да

АННОТАЦИЯ:

Углеродное волокно состоит из атомов углерода, связанных вместе, образуя длинную цепочку.Волокна чрезвычайно жесткие, прочные и легкие и используются во многих процессах для создания превосходных строительных материалов. Углеродный волокнистый материал бывает различных «сырых» строительных блоков, в том числе пряжи, однонаправленной пряжи, переплетения, тесьмы и некоторых других, которые, в свою очередь, используются для создания композитных деталей. Детали из углеродного волокна по своим свойствам близки к стальным, а по весу — к пластиковым. Таким образом, отношение прочности к весу (а также отношение жесткости к весу) детали из углеродного волокна намного выше, чем у стали или пластика.Углеродное волокно чрезвычайно прочное. В инженерии обычно измеряют преимущество материала с точки зрения отношения прочности к весу и отношения жесткости к весу, особенно при проектировании конструкций, где добавленный вес может привести к увеличению затрат на жизненный цикл или неудовлетворительным характеристикам.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: Углеродное волокно; Ткань; Текстиль; Пряжа

Чтобы процитировать эту статью, скопируйте следующее: Bhatt P, Goe A. Углеродные волокна: производство, свойства и потенциальное использование.Математические науки и ресурсы Индии; 14 (1)

Введение

Углеродные волокна или углеродные волокна — это волокна диаметром около 5–10 микрометров, состоящие в основном из атомов углерода. Углеродные волокна обладают рядом преимуществ, включая высокую жесткость, высокую прочность на разрыв, малый вес, высокую химическую стойкость, устойчивость к высоким температурам и низкое тепловое расширение. Эти свойства сделали углеродное волокно очень популярным в аэрокосмической отрасли, гражданском строительстве, военном деле и автоспорте, а также в других соревновательных видах спорта.Однако они относительно дороги по сравнению с аналогичными волокнами, такими как стекловолокно или пластмассовые волокна.

Классификация и виды

Углеродные волокна по модулю, прочности и конечной температуре термообработки можно разделить на следующие категории:

В зависимости от свойств углеродного волокна углеродные волокна можно сгруппировать в:

• Сверхвысокий модуль, тип UHM (модуль> 450 ГПа)
• Высокомодульный, тип HM (модуль упругости 350-450 ГПа)
• Промежуточный модуль, тип IM (модуль между 200-350 ГПа)
• Низкий модуль и высокий предел упругости, тип HT (модуль <100 ГПа, предел прочности> 3.0 ГПа)
• Сверхвысокопрочный, типа SHT (предел прочности на разрыв> 4,5 ГПа)

Углеродные волокна на основе материалов-предшественников подразделяются на:

• Углеродные волокна на основе ПАН
• Углеродные волокна на основе пека
• Углеродные волокна на основе мезофазного пека
• Углеродные волокна на основе изотропного пека
• Углеродные волокна на вискозной основе
• Углеродные волокна, выращенные в газовой фазе

Углеродные волокна по температуре окончательной термообработки подразделяются на:

• Углеродные волокна, подвергнутые высокой термообработке (HTT), тип I, где конечная температура термообработки должна быть выше 2000 ° C и может быть связана с волокном высокомодульного типа.
• Углеродные волокна с промежуточной термообработкой (IHT), тип II, где конечная температура термообработки должна быть около или выше 1500 ° C и может быть связана с волокном высокопрочного типа.
• Углеродное волокно с низкой термической обработкой, тип III, температура конечной термообработки которого не превышает 1000 ° C. Это низкомодульные и малопрочные материалы.

Производственный процесс

Углеродные волокна из полиакрилонитрила (PAN):

Сырье

Сырье, используемое для производства углеродного волокна, называется прекурсором.Около 90% производимых углеродных волокон состоит из полиакрилонитрила. Остальные 10% сделаны из искусственного шелка или нефтяного пека. Все эти материалы представляют собой органические полимеры, характеризующиеся длинными цепочками молекул, связанных вместе атомами углерода. Точный состав каждого прекурсора варьируется от одной компании к другой и обычно считается коммерческой тайной. В процессе производства используются различные газы и жидкости. Некоторые из этих материалов предназначены для взаимодействия с волокном для достижения определенного эффекта.Другие материалы предназначены для того, чтобы не вступать в реакцию или предотвращать определенные реакции с волокном. Как и в случае с прекурсорами, точный состав многих из этих технологических материалов считается коммерческой тайной.

Производственный процесс PAN

Рисунок 1

Прядильная

• Порошок акрилонитрильного пластика смешивают с другим пластиком, таким как метилакрилат или метилметакрилат, и подвергают взаимодействию с катализатором в обычном процессе суспензионной или растворной полимеризации с образованием полиакрилонитрильного пластика.
• Затем пластик превращается в волокна одним из нескольких различных методов. В некоторых методах пластик смешивается с определенными химическими веществами и закачивается через крошечные форсунки в химическую ванну или камеру закалки, где пластик коагулирует и затвердевает в волокна. Это похоже на процесс, используемый для формирования полиакриловых текстильных волокон. В других методах пластиковая смесь нагревается и перекачивается через крошечные форсунки в камеру, где растворители испаряются, оставляя твердое волокно. Этап прядения важен, потому что во время этого процесса формируется внутренняя атомная структура волокна.
• Затем волокна промывают и растягивают до желаемого диаметра. Растяжение помогает выровнять молекулы внутри волокна и обеспечивает основу для образования прочно связанных кристаллов углерода после карбонизации.

Стабилизатор

Перед карбонизацией волокон их необходимо химически изменить, чтобы преобразовать их линейную атомную связь в более термически стабильную лестничную связь. Это достигается путем нагревания волокон на воздухе примерно до 390-590 ° F (200-300 ° C) в течение 30-120 минут.Это заставляет волокна улавливать молекулы кислорода из воздуха и изменять структуру их атомных связей. Стабилизирующие химические реакции сложны и включают несколько этапов, некоторые из которых происходят одновременно. Они также генерируют собственное тепло, которое необходимо контролировать, чтобы избежать перегрева волокон. В коммерческих целях для процесса стабилизации используется различное оборудование и методы. В некоторых процессах волокна протягиваются через ряд камер с подогревом. В других случаях волокна проходят через горячие валки и через слои сыпучих материалов, удерживаемых во взвешенном состоянии потоком горячего воздуха.В некоторых процессах используется нагретый воздух, смешанный с определенными газами, которые химически ускоряют стабилизацию.

Карбонизация

После того, как волокна стабилизируются, их нагревают до температуры примерно 1,830-5,500 ° F (1,000-3,000 ° C) в течение нескольких минут в печи, заполненной газовой смесью, не содержащей кислорода. Недостаток кислорода предотвращает сгорание волокон при очень высоких температурах. Давление газа внутри печи поддерживается выше, чем давление наружного воздуха, а точки входа и выхода волокон из печи герметизированы, чтобы не допустить попадания кислорода.Когда волокна нагреваются, они начинают терять свои неуглеродные атомы, а также несколько атомов углерода в виде различных газов, включая водяной пар, аммиак, монооксид углерода, диоксид углерода, водород, азот и другие. Когда неуглеродные атомы вытесняются, оставшиеся атомы углерода образуют прочно связанные углеродные кристаллы, которые ориентированы более или менее параллельно длинной оси волокна. В некоторых процессах используются две печи, работающие при двух разных температурах, чтобы лучше контролировать скорость разогрева во время карбонизации.

Рисунок 2

Обработка поверхности

После карбонизации волокна имеют поверхность, которая плохо сцепляется с эпоксидными смолами и другими материалами, используемыми в композитных материалах. Чтобы волокна лучше склеивали, их поверхность слегка окисляется. Добавление атомов кислорода к поверхности обеспечивает лучшие свойства химического связывания, а также травит и делает поверхность шероховатой для улучшения механических свойств связывания.Окисление может быть достигнуто путем погружения волокон в различные газы, такие как воздух, диоксид углерода или озон; или в различных жидкостях, таких как гипохлорит натрия или азотная кислота. На волокна также можно нанести электролитическое покрытие, сделав волокна положительным выводом в ванне, заполненной различными электропроводящими материалами. Процесс обработки поверхности необходимо тщательно контролировать, чтобы избежать образования крошечных поверхностных дефектов, таких как ямки, которые могут вызвать повреждение волокна.

Калибровка

• После обработки поверхности волокна покрываются покрытием для защиты от повреждений при намотке или плетении.Этот процесс называется калибровкой. Материалы покрытия выбираются таким образом, чтобы они были совместимы с клеем, используемым для формирования композитных материалов. Типичные материалы покрытия включают эпоксидную смолу, полиэстер, нейлон, уретан и другие.
• 8 Волокна с покрытием наматываются на цилиндры, называемые бобинами. Бобины загружаются в прядильную машину, и волокна скручиваются в пряжу различных размеров.

Недвижимость

Углеродное волокно имеет высокое отношение прочности к массе (также известное как удельная прочность)

Прочность материала — это сила, приходящаяся на единицу площади при разрушении, деленная на его плотность.Любой прочный И легкий материал имеет подходящее соотношение прочности и веса. Такие материалы, как алюминий, титан, магний, углерод и стекловолокно, высокопрочные стальные сплавы, имеют хорошее соотношение прочности к весу.

Углеродное волокно очень жесткое

Жесткость или жесткость материала измеряется его модулем Юнга и измеряет, насколько материал прогибается под действием напряжения. Пластик, армированный углеродным волокном, более чем в 4 раза жестче, чем пластик, армированный стекловолокном, почти в 20 раз больше, чем сосна, 2.В 5 раз больше алюминия.

Углеродное волокно устойчиво к коррозии и химически устойчиво

Хотя углеродное волокно само по себе не портится, эпоксидная смола чувствительна к солнечному свету и требует защиты. Другие матрицы (независимо от того, в какое углеродное волокно встроено) также могут быть реактивными.

Углеродное волокно электропроводное

Эта функция может быть полезной и мешать. При строительстве лодок это необходимо учитывать, так как в игру вступает проводимость алюминия.Электропроводность углеродного волокна может способствовать гальванической коррозии арматуры. Тщательная установка может уменьшить эту проблему.

Усталостное сопротивление хорошее

Устойчивость к усталости композитов из углеродного волокна — хорошая. Однако, когда углеродное волокно выходит из строя, оно обычно катастрофически выходит из строя, и это не говорит о его неизбежном разрыве. Повреждение в результате усталости при растяжении рассматривается как снижение жесткости при увеличении количества циклов напряжения (если температура не высокая). Испытания показали, что разрушение вряд ли будет проблемой, когда циклические напряжения совпадают с ориентацией волокна.Углеродное волокно превосходит стекло E по усталостной и статической прочности, а также по жесткости.

Углеродное волокно имеет хорошую прочность на разрыв

Предел прочности на разрыв или предел прочности — это максимальное напряжение, которое может выдержать материал при растяжении или растяжении до образования шейки или разрушения. Сужение — это когда поперечное сечение образца начинает значительно сокращаться. Если вы возьмете полоску полиэтиленового пакета, она растянется и в какой-то момент начнет сужаться. Это шею.Он измеряется в силе на единицу площади. Хрупкие материалы, такие как углеродное волокно, не всегда выходят из строя при одном и том же уровне напряжения из-за внутренних дефектов. Они терпят неудачу при малых деформациях.

Испытание включает взятие образца с фиксированной площадью поперечного сечения, а затем его вытягивание, постепенно увеличивая силу, пока образец не изменит форму или не сломается. Волокна, такие как углеродные волокна, имеющие диаметр всего 2/10 000-х дюйма, превращаются в композиты соответствующей формы для испытаний.

Огнестойкость / негорючий

В зависимости от производственного процесса и материала-прекурсора углеродное волокно может быть довольно мягким и его можно использовать в качестве защитной одежды для пожарных или, что более часто, интегрировать в нее.Примером может служить волокно с никелевым покрытием. Поскольку углеродное волокно также химически очень инертно, его можно использовать там, где есть огонь в сочетании с коррозионными агентами. Carbon Fiber Fire Blanket извините за опечатки.

Теплопроводность углеродного волокна

Теплопроводность — это количество тепла, передаваемого через единицу толщины в направлении, перпендикулярном поверхности единицы площади, из-за единичного температурного градиента в установившихся условиях. Другими словами, это показатель того, насколько легко тепло проходит через материал.

Поскольку существует множество вариаций углеродного волокна, невозможно точно определить теплопроводность. Специальные типы углеродного волокна были специально разработаны для обеспечения высокой или низкой теплопроводности. Также предпринимаются попытки улучшить эту функцию.

Низкий коэффициент теплового расширения

Это мера того, насколько материал расширяется и сжимается при повышении или понижении температуры. Единицы измерения указаны в дюймах / дюймах градусах F. Как и в других таблицах, единицы измерения не так важны, как сравнение.При достаточно высокой мачте разница в коэффициентах теплового расширения различных материалов может немного изменить натяжение буровой установки. Низкий коэффициент теплового расширения делает углеродное волокно подходящим для применений, где малые движения могут быть критичными. Одно из таких приложений — телескоп и другое оптическое оборудование.

Неядовит, биологически инертен, проницаем для рентгеновских лучей

Эти качества делают углеродное волокно полезным в медицине. Использование протезов, имплантатов и восстановления сухожилий, рентгеновских принадлежностей, хирургических инструментов — все это находится в стадии разработки.Хотя углеродные волокна не ядовиты, они могут вызывать сильное раздражение, поэтому необходимо ограничить длительное незащищенное воздействие. Однако эпоксидная или полиэфирная матрица может быть токсичной, поэтому необходимо соблюдать осторожность.

Углеродное волокно относительно дорого

Хотя он предлагает исключительные преимущества прочности, жесткости и снижения веса, его стоимость является сдерживающим фактором. Если преимущество в весе не является исключительно важным, например, в аэронавтике или гонках, оно часто не стоит дополнительных затрат.Дополнительным преимуществом является низкая потребность в обслуживании углеродного волокна.

Трудно количественно охарактеризовать круто и модно. Углеродное волокно имеет ауру и репутацию, которые заставляют потребителей платить больше за то, чтобы иметь его. Возможно, вам понадобится меньше его по сравнению со стекловолокном, и это может быть экономией.

Углеродные волокна хрупкие

Слои волокон образованы прочными ковалентными связями. Листовые агрегаты легко допускают распространение трещин.Когда волокна изгибаются, они выходят из строя при очень низкой деформации.

Приложения

Характеристики и применение углеродных волокон

1. Физическая прочность, удельная вязкость, легкий вес	Авиакосмическая промышленность, автомобильный и морской транспорт, спортивные товары
2. Высокая стабильность размеров, низкий коэффициент теплового расширения и низкий уровень абразивного износа	Ракеты, авиационные тормоза, аэрокосмическая антенна и опорная конструкция, большие телескопы, оптические стенды, волноводы для стабильных высокочастотных (ГГц) прецизионных измерительных рам
3.Хорошее гашение вибрации, прочность и ударная вязкость	Аудиотехника, громкоговорители для Hi-Fi аппаратуры, звукосниматели, манипуляторы
4. Электропроводность	Автомобильные капоты, новая оснастка, кожухи и основания для электронного оборудования, защита от электромагнитных и радиочастотных помех, щетки
5. Биологическая инертность и рентгеновская проницаемость	Медицинское применение в протезах, хирургическом и рентгеновском оборудовании, имплантатах, восстановлении сухожилий / связок
6.Усталостная прочность, самосмазывание, высокое демпфирование	Текстильное оборудование, общее машиностроение
7. Химическая инертность, высокая коррозионная стойкость	Химическая промышленность; ядерное поле; клапаны, уплотнения и компоненты насосов на технологических установках
8. Электромагнитные свойства	Большие стопорные кольца генератора, радиологическое оборудование

Заключение

Последняя разработка в технологии углеродного волокна — это крошечные углеродные трубки, называемые нанотрубками.Эти полые трубки, некоторые из которых имеют диаметр 0,00004 дюйма (0,001 мм), обладают уникальными механическими и электрическими свойствами, которые могут быть полезны при создании новых высокопрочных волокон, субмикроскопических пробирок или, возможно, новых полупроводниковых материалов для интегральных схем.

Список литературы

1. Франк Э., Херманутц Ф. и Бухмайзер М. Р. Углеродные волокна: прекурсоры, производство и свойства. Макромол. Mater. Eng . 2012; 297: 493–501.
   CrossRef
2. Шаваллер Д., Клаус Б. и Бухмайзер М. Р. Керамические филаментные волокна — Обзор . Макромол . Mater. Eng . 2012: 297: 502–522.
   CrossRef
3. Хо К., Цянь К. К. и Бисмарк Х. А. Углеродное волокно: свойства поверхности. Энциклопедия композитов Wiley . 2011; 1–11.
4. Хуанг X. Изготовление и свойства углеродных волокон. Материалы. 2009; 2 : 2369-2403.
   CrossRef
5. Баджадж П., Паливал Д. К., Гупта А. К. Влияние ионов металлов на структуру и свойства акриловых волокон. J. Appl. Polym. Sci. 1998; 67: 1647–1659.
   CrossRef
6. Гудхью П. Дж., Кларк А. Дж., Бейли Дж. Э. Обзор производства и свойств углеродных волокон. Mater. Sci. Англ. 1975; 17: 3–30.
   CrossRef

---

Эта работа находится под международной лицензией Creative Commons Attribution 4.0.

Что такое углеродное волокно? | DragonPlate

Углеродное волокно состоит из атомов углерода, связанных вместе, образуя длинную цепочку.Волокна чрезвычайно жесткие, прочные и легкие и используются во многих процессах для создания превосходных строительных материалов. Углеродный волокнистый материал входит в ряд «сырых» строительных блоков, включая пряжу, однонаправленную пряжу, переплетения, тесьму и некоторые другие, которые, в свою очередь, используются для создания композитных деталей из углеродного волокна.

Внутри каждой из этих категорий есть множество подкатегорий, требующих дальнейшего уточнения. Например, различные типы переплетения углеродного волокна приводят к различным свойствам композитной детали как при изготовлении, так и в конечном продукте.Чтобы создать композитную деталь, углеродные волокна, которые жесткие при растяжении и сжатии, нуждаются в стабильной матрице, чтобы оставаться в ней и сохранять свою форму. Эпоксидная смола — это превосходный пластик с хорошими характеристиками сжатия и сдвига, который часто используется для формирования этой матрицы, при этом углеродные волокна обеспечивают армирование. Поскольку эпоксидная смола имеет низкую плотность, можно создать легкую, но очень прочную деталь. При изготовлении композитной детали можно использовать множество различных процессов, включая мокрую укладку, вакуумную упаковку, перенос смолы, согласованные инструменты, формование со вставкой, пултрузию и многие другие методы.Кроме того, выбор смолы позволяет адаптировать ее к конкретным свойствам.

Углеродные волокна, армирующие стабильную эпоксидную матрицу

Прочность, жесткость и сравнение с другими материалами

Углеродное волокно чрезвычайно прочно. В инженерии обычно измеряют преимущество материала с точки зрения отношения прочности к весу и отношения жесткости к весу, особенно при проектировании конструкций, где добавленный вес может привести к увеличению затрат на жизненный цикл или неудовлетворительным характеристикам.Жесткость материала измеряется его модулем упругости. Модуль упругости углеродного волокна обычно составляет 33 мси (228 ГПа), а его предел прочности при растяжении обычно составляет 500 фунтов на квадратный дюйм (3,5 ГПа). Материалы из углеродного волокна с высокой жесткостью и прочностью также доступны благодаря специальным процессам термообработки с гораздо более высокими значениями. Сравните это с 2024-T3 Aluminium, который имеет модуль упругости всего 10 msi и предел прочности на растяжение 65 ksi, и 4130 Steel, который имеет модуль упругости 30 msi и предел прочности на растяжение 125 ksi.

Сталь будет постоянно деформироваться при уровне напряжения ниже ее предела прочности на растяжение. Уровень напряжения, при котором это происходит, называется пределом текучести. Углеродное волокно, с другой стороны, не будет постоянно деформироваться ниже своего предела прочности на разрыв, поэтому оно фактически не имеет предела текучести.

В качестве примера, ламинат, армированный углеродным волокном с полотняным переплетением, имеет модуль упругости приблизительно 6 мси и объемную плотность приблизительно 83 фунта / фут ³ . Таким образом, весовая жесткость этого материала составляет 107 футов.Для сравнения, плотность алюминия составляет 169 фунтов / фут ³ , что дает жесткость к весу 8,5 x 106 футов, а плотность стали 4130 составляет 489 фунтов / фут ³ , что дает жесткость к весу 8,8 x 106 футов. Следовательно, даже основная панель из углеродного волокна с полотняным переплетением имеет отношение жесткости к весу на 18% больше, чем у алюминия, и на 14% больше, чем у стали. Использование препрега, в частности высокомодульных и сверхвысокомодульных препрегов из углеродного волокна, дает значительно более высокое соотношение жесткости к массе.Например, панель, содержащая слой из углеродного волокна с препрегом со стандартным модулем упругости 0/90, будет иметь модуль упругости примерно 8 мсек, или примерно на 30% жестче, чем варианты без препрега. Для очень требовательных приложений, где требуется максимальная жесткость, можно использовать сверхвысокомодульное углеродное волокно 110 м / кв. Это специализированное углеродное волокно на основе пека имеет жесткость на изгиб более чем в 3 раза по сравнению со стандартной панелью из препрега с модулем упругости (около 25 msi). Если учесть возможность индивидуальной жесткости панели из углеродного волокна за счет стратегического размещения ламината, панель (или другое поперечное сечение, например труба) может быть изготовлена ​​с жесткостью на изгиб порядка 50 msi.

Испытания, проведенные Dragonplate, продемонстрировали, что все образцы однонаправленных сверхвысокомодульных образцов с нулевой ориентацией имеют жесткость на растяжение, превышающую 75 мсю, или более чем в два раза жесткость стали, но все же только половину веса алюминия. Если использовать вышеупомянутое сравнение, то отношение жесткости к весу этого материала более чем в 10 раз больше, чем у стали или алюминия. Если учесть потенциально значительное увеличение как прочности к весу, так и отношения жесткости к весу, которое возможно, когда эти материалы сочетаются с легкими сотами и вспененными сердцевинами, становится очевидным, какое влияние современные композиты из углеродного волокна могут оказать в самых разных областях применения.

Что такое композитная многослойная структура?

Композитный сэндвич сочетает в себе превосходные характеристики прочности и жесткости углеродного волокна с материалом сердцевины меньшей плотности. В случае сэндвич-листов Dragonplate углеродное волокно создает тонкий слой ламината на пенопласте, сотах, бальзе или березовой фанере. Стратегически комбинируя эти материалы, можно создать конечный продукт с гораздо более высоким соотношением жесткости к весу, чем с любым из них по отдельности. Для применений, где вес имеет решающее значение, сэндвич-листы из углеродного волокна могут подойти.

Композитная многослойная конструкция механически эквивалентна однородной двутавровой конструкции при изгибе.

Рис. 1: Схема, показывающая многослойную конструкцию из углеродного волокна и эквивалентную двутавровую балку

На изображении многослойной конструкции в центре балки (при условии симметрии) находится нейтральная ось, где находится внутреннее осевое напряжение. равно нулю. Двигаясь снизу вверх на диаграмме, внутренние напряжения переключаются с сжатия на растяжение.Жесткость на изгиб пропорциональна моменту инерции поперечного сечения, а также модулю упругости материала. Таким образом, для максимальной жесткости на изгиб следует размещать чрезвычайно жесткий материал как можно дальше от нейтральной оси. Путем размещения углеродного волокна как можно дальше от нейтральной оси и заполнения оставшегося объема материалом с более низкой плотностью в результате получается композитный многослойный материал с высоким отношением жесткости к весу.

Рис. 2: Сравнение распределения внутренних напряжений для сплошного ламината и многослойной конструкции при изгибе.

Анализы FEA, сравнивающие многослойный ламинат с твердым углеродным волокном, показаны ниже. Эти расчеты показывают прогиб консольной балки с нагрузкой на конец. На рисунке показан слой сердцевины из березовой фанеры толщиной 3/16 дюйма рядом со слоем твердого углеродного волокна равного веса. Из-за уменьшенной толщины твердой углеродной балки он отклоняется значительно больше, чем эквивалентная балка, изготовленная из материала сердцевины. По мере увеличения толщины это несоответствие становится еще больше из-за значительной экономии веса сердечника.Аналогичным образом, можно заменить твердую углеродную структуру на более легкую, эквивалентную прочности и жесткости, сделанную из любого из ранее упомянутых вариантов сердечника.

Рис. 3: Сравнение анализа методом конечных элементов между многослойным слоистым материалом Dragonplate и твердым углеродным волокном

При использовании различных сердцевин каждый имеет свои сильные и слабые стороны. Обычно движущими факторами являются прочность сердечника на сжатие и сдвиг. Например, если требуется высокая прочность на сжатие (и, следовательно, высокое сопротивление раздавливанию), то сердцевина, скорее всего, должна быть более высокой плотности (здесь хорошими вариантами являются пенопласт высокой плотности или березовая фанера).Если, однако, нужен композит с абсолютно наименьшим возможным весом, а напряжения относительно малы (т. Е. Низкая нагрузка, высокая жесткость), то лучшим выбором может быть чрезвычайно легкий пенопласт или сотовый заполнитель. Некоторые сердечники обладают лучшей влагостойкостью (пенопласт с закрытыми порами), некоторые — лучшей обрабатываемостью (фанера), а другие — высоким отношением прочности на сжатие к весу (бальза). Задача инженера — понять компромиссы в процессе проектирования, чтобы максимально использовать потенциал композитных материалов с сердечником.Тем не менее, для применений с критическим весом часто нет другого варианта, который хотя бы приближался к потенциальной прочности и соотношению жесткости к весу многослойных сердцевинных пластиков из углеродного волокна.

Влагопоглощение ЛУЧШЕ
0 Pros и 942 Углеродное волокно Армированные композиты обладают несколькими очень желательными характеристиками, которые можно использовать при разработке современных материалов и систем.Два наиболее распространенных применения углеродного волокна — это приложения, в которых желательны высокая прочность по отношению к массе и высокая жесткость по отношению к массе. К ним относятся аэрокосмическая промышленность, военные структуры, робототехника, ветряные турбины, производственное оборудование, спортивный инвентарь и многие другие. Высокая прочность может быть достигнута в сочетании с другими материалами. В некоторых приложениях также используется электрическая проводимость углеродного волокна, а также высокая теплопроводность в случае специального углеродного волокна. Наконец, в дополнение к основным механическим свойствам углеродное волокно создает уникальную и красивую поверхность.

Хотя углеродное волокно имеет много существенных преимуществ по сравнению с другими материалами, есть и компромиссы, с которыми нужно бороться. Во-первых, твердое углеродное волокно не поддается. Углеродное волокно под нагрузкой изгибается, но не остается деформированным. Вместо этого, как только предел прочности материала будет превышен, углеродное волокно выйдет из строя внезапно и катастрофически. В процессе проектирования очень важно, чтобы инженер понимал и учитывал это поведение, особенно с точки зрения расчетных факторов безопасности.Композиты из углеродного волокна также значительно дороже традиционных материалов. Работа с углеродным волокном требует высокого уровня навыков и множества сложных процессов для производства высококачественных строительных материалов (например, твердых углеродных листов, многослойных слоистых материалов из углеродного волокна, углеродных труб и т. Д.). Для создания оптимизированных деталей и узлов по индивидуальному заказу требуется очень высокий уровень квалификации и специализированные инструменты и оборудование.

Углеродное волокно и металлы

При проектировании композитных деталей нельзя просто сравнивать свойства углеродного волокна и стали, алюминия или пластика, поскольку эти материалы в целом однородны (свойства одинаковы во всех точках детали), и имеют изотропные свойства на всем протяжении (свойства одинаковы по всем осям).Для сравнения, в части из углеродного волокна прочность находится вдоль оси волокон, и, таким образом, свойства и ориентация волокна сильно влияют на механические свойства. Детали из углеродного волокна, как правило, не являются ни однородными, ни изотропными.

Детали из углеродного волокна по своим свойствам близки к стальным, а по весу — к пластиковым. Таким образом, отношение прочности к весу (а также отношение жесткости к весу) детали из углеродного волокна намного выше, чем у стали или пластика.Конкретные детали зависят от конструкции детали и области применения. Например, сэндвич с пенопластом имеет чрезвычайно высокое отношение прочности к весу при изгибе, но не обязательно при сжатии или раздавливании. Кроме того, нагрузки и граничные условия для любых компонентов уникальны для конструкции, в которой они находятся. Таким образом, мы не можем обеспечить толщину пластины из углеродного волокна, которая могла бы заменить стальную пластину в вашем приложении. Заказчик несет ответственность за определение безопасности и пригодности любого продукта Dragonplate для конкретной цели.Это достигается посредством инженерного анализа и экспериментальной проверки.

9 главных фактов о углеродном волокне, которых вы не знали

Эта статья является частью серии Energy.gov, посвященной «Главным вещам, о которых вы не знали…» Не забудьте проверить больше записей скоро.

9. Углеродное волокно, также известное как графитовое волокно, представляет собой прочный, жесткий и легкий материал, который может заменить сталь и широко используется в специализированных высокопроизводительных продуктах, таких как самолеты, гоночные автомобили и спортивное оборудование.

8. Углеродное волокно было впервые изобретено недалеко от Кливленда, штат Огайо, в 1958 году. Только в 1963 году в британском исследовательском центре был разработан новый производственный процесс, что позволило реализовать прочный потенциал углеродного волокна.

7. Современные методы производства углеродного волокна, как правило, медленные и энергоемкие, что делает его дорогостоящим для использования в массовом производстве. С целью снижения затрат на производство углеродного волокна на 50 процентов новый центр технологии углеродного волокна Министерства энергетики в Национальной лаборатории Ок-Риджа работает с производителями и исследователями над разработкой более эффективных и дешевых процессов производства углеродных волокон.Снижение стоимости углеродных волокон делает их жизнеспособным решением для транспортных средств и широкого спектра приложений чистой энергии.

6. Завод площадью 42 000 квадратных футов оснащен технологической линией длиной 390 футов, которая способна производить до 25 тонн углеродного волокна в год — этого количества углеродного волокна достаточно, чтобы покрыть длину почти 138 889 футбольных полей.

5. Наиболее распространенным прекурсором углеродного волокна — сырьем для производства углеродных волокон — является полиакрилонитрил (или ПАН), на который приходится более 90 процентов всего производства углеродного волокна.Другие варианты прекурсоров включают обычный пластик и побочный продукт из дерева.

4. В рамках обычного производства углеродного волокна прекурсоры проходят несколько процессов, включая растяжение, окисление (для повышения температуры плавления) и карбонизацию в высокотемпературных печах, при которых испаряется около 50 процентов материала, что делает его почти 100-процентным. углерод.

3. Углеродное волокно может быть вплетено в ткань, подходящую для использования в оборонных целях, или добавлено в смолу и формовано в предварительно отформованные детали, такие как компоненты транспортных средств или лопасти ветряных турбин.

2. Следующее поколение композитов из углеродного волокна может снизить вес легкового автомобиля на 50 процентов и повысить топливную эффективность примерно на 35 процентов без ущерба для производительности или безопасности. Это достижение позволит сэкономить более 5000 долларов на топливе в течение срока службы автомобиля. машина по сегодняшним ценам на бензин.

1. Помимо использования в производстве легковых и грузовых автомобилей, достижения в области углеродного волокна помогут американским производителям снизить стоимость и улучшить характеристики лопастей и опор ветряных турбин, электроники, компонентов накопителей энергии и линий электропередачи.

Почему так много дорогих автомобилей используют углеродное волокно?

При строительстве автомобилей обычно используют металл. Например, Tesla Cybertruck изготовлен из нержавеющей стали. Он сильный, но тяжелый. Алюминий является предпочтительным металлом для снижения веса, как в случае с грузовиками Ford F-Series, шасси Bollinger и некоторыми из будущих автомобилей Morgan. Bugatti тоже когда-то использовала алюминиевые кузовные панели. Однако некоторые из самых дорогих, быстрых и ориентированных на производительность автомобилей используют другой материал: углеродное волокно.Но, несмотря на то, что теперь он начал распространяться на такие автомобили, как BMW i3, грузовые автомобили и даже кемперы, он по-прежнему стоит дорого. Почему так?

Что такое углеродное волокно?

Во-первых, важно отметить, что «углеродное волокно» — это не просто волокно. На самом деле, Cycle World объясняет, что — композит, похожий на бетон. Бетон представляет собой смесь цемента и стальных стержней. Замените цемент смолой, а стальные стержни — углеродным волокном, и вы получите пластик, армированный углеродным волокном.Но для краткости это называется «углеродное волокно».

Углеродное волокно, как поясняет Gizmodo , обычно изготавливается из пластика, похожего на акрил. Пластик в листах проходит через ряд высокотемпературных печей. Там нити претерпевают реакции, которые удаляют почти все их неуглеродные атомы и соединяются вместе. То, что выходит из духовки, представляет собой лист черных кристаллических волокон.

Чтобы сделать что-нибудь из углепластика, Popular Mechanics сообщает, обычный процесс включает в себя листы этих волокон, уже покрытые смолой и клеем.Эти «пре-прег» листы укладываются в форму, и их отдельные волокна сплетаются вместе. Затем все это запекается в другой духовке при высокой температуре и давлении.

Инженеры Майкл Дресслер (LR), Андре Барч, Сандро Маеке и Кристиан Келер из ThyssenKrupp Carbon Components рассказывают о различных ободах из углеродного волокна рядом с одной из крупнейших в Европе станков для радиального плетения в исследовательском центре компании недалеко от Дрездена, Германия, 14 июня 2013 г. Фото: ЯН ВОЙТАС | использование во всем мире (Фото Яна Войтаса / picture alliance через Getty Images)

Весь этот процесс требует много времени и энергии.Это означает, что отделка из углеродного волокна в вашем автомобиле может быть просто аппликацией или оберткой. Но реальные конечные продукты для тех, кто может себе это позволить, имеют много преимуществ перед своими металлическими аналогами.

В чем его особенность? 2018 SpeedKore из углеродного волокна Challenger Demon | SpeedKore

С одной стороны, углеродное волокно очень легкое. Углерод — один из самых легких элементов в мире, его атомный вес вдвое меньше, чем у алюминия. Car and Driver сообщает, что панель кузова Corvette, сделанная из углепластика, весит 1/5 ^{, что на} больше аналогичной стальной панели.Но малый вес — не единственное преимущество, которое дает углеродное волокно.

Прочность материала зависит от того, насколько он сопротивляется деформации при сжатии или растяжении. Углепластик прочен не только благодаря химическим связям, но и потому, что он тканый. Исходя из исходных цифр, карданный вал из углеродного волокна как минимум в 3 раза прочнее аналогичного стального. Carfax сообщает, что некоторые углеродные волокна могут быть до 10 раз прочнее стали. Это также означает, что у углепластика более высокое отношение прочности к весу, чем у любого металла.

Кроме того, The Drive сообщает, что углеродное волокно жестче стали. Это означает, что в поворотах автомобиль из углеродного волокна будет меньше прогибаться, чем автомобиль из стали или алюминия. Это позволяет колесам плотнее прилегать к земле, увеличивая тягу и скорость. Это абсолютно необходимо для высокопроизводительных и гоночных автомобилей. Именно поэтому велосипеды из углеродного волокна могут быть довольно удобными даже без подвески: они поглощают неровности, не беспокоя водителя.

Однако у углеродного волокна есть некоторые недостатки. И цена только одна из них.

Почему углеродное волокно дорого?

Во-первых, как показано на видео ниже, углепластик не силен во всех направлениях.

Отлично сопротивляется растягивающим и растягивающим усилиям. Но металлы по-прежнему лучше переносят сжимающие силы. Кроме того, хотя углеродное волокно может быть прочным, оно также хрупкое. Если он треснет, то довольно быстро сломается.Фактически, журнал Outside Magazine сообщает, что на некоторых производителей карбоновых велосипедов подали в суд из-за производственных дефектов и трещин.

Тогда вот цена. Поскольку изготовление волокон требует больших затрат времени и энергии, как и процесс формования, углепластик намного дороже стали. По данным Drive , сталь примерно в 10 раз дешевле. Однако вскоре продукты из углепластика могут подешеветь.

Станина из углеродного волокна GMC Sierra изготовлена ​​не с помощью традиционного процесса формования.Вместо этого он сделан из «кованых композитов», сообщает Car and Driver . Это все еще углепластик. Однако вместо использования сплошных многослойных листов волокна нарезают на небольшие кусочки длиной 1 дюйм. Lamborghini фактически помогла внедрить эту технологию, сообщает Car and Driver , в своих моделях Sesto Elemento и Huracan Performante.

Концепция Lamborghini Sesto Elemento | Lamborghini

Потому что волокна короткие, а смола другая формула, процесс отверждения и выпечки намного короче.Сами формы также дешевле. Приведет ли это, наконец, материал к истинному доступные автомобили, помимо небольшой внутренней отделки, покажет время.

Следите за обновлениями MotorBiscuit на нашей странице в Facebook.

Carbon Fiber — обзор

4.1. Классификация углеродных волокон

Углеродные волокна (рис. 4-1), которые были произведены в промышленном или пилотном масштабе, классифицируются по используемым прекурсорам, как показано в таблице 4-1, вместе с некоторыми характеристиками каждого волокна.Углеродные волокна на основе ПАН, изотропного пека и мезофазного пека получают путем прядения каждого предшественника, полиакрилонитрила (ПАН), изотропного пека и анизотропного мезофазного пека, соответственно, с последующей стабилизацией и карбонизацией до температуры примерно 1300 ° C. . В отличие от этих углеродных волокон, полученных из органических волокон-предшественников, выращенные из паровой фазы углеродные волокна получают путем термического разложения паров органических предшественников, когда стабилизация не требуется. Первые три углеродных волокна, на основе ПАН и два пека, могут быть получены в виде непрерывных волокон и различной морфологии в виде моноволокон, прядей из 1000–12000 нитей (рис.4-1a), ткань (тканый материал, рис. 4-1b) с различными видами ткани, рубленые волокна, а также нетканые маты (войлок и бумага, рис. 4-1c). Однако углеродные волокна, выращенные из паров, короткие, но имеют широкий диапазон длины. С точки зрения кристалличности, которая может быть достигнута высокотемпературной обработкой, т.е. графитизируемость; однако углеродные волокна, выращенные из паровой фазы, имеют большое преимущество перед тремя другими. Сообщалось, что некоторые углеродные волокна на основе мезофазного пека с лентообразным поперечным сечением обладают высокой степенью графитизации [Edie et al., 1994].

Рисунок 4-1. Углеродные волокна: а — прядь, б — ткань, в — мат.

[Предоставлено Tray Co. Ltd.]

Таблица 4-1. Классификация углеродных волокон и их характеристики

	КРИТЕРИИ СРАВНЕНИЯ
ПРОДУКТЫ	Жесткость к весу	Прочность	Измельчение	Влагопоглощение	Влагопоглощение
ЛУЧШЕ	ЛУЧШЕЕ	ЛУЧШЕ	ПЛОХО
Твердое углеродное волокно с высоким модулем упругости	ЛУЧШЕ	ХОРОШО	ЛУЧШЕ	ЛУЧШЕ	СЛАБЫЕ
ЛУЧШЕЕ	9050 ЛУЧШЕ	9050	ХОРОШО	ПЛОХО
Balsa Core	ЛУЧШЕ	ХОРОШО	ЛУЧШЕ	ПЛОХО	ХОРОШО
Nomex Honeycomb Core	ЛУЧШЕ	ХОРОШЕЕ	ЛУЧШЕ	ЛУЧШЕ
Depron Foam Core	ЛУЧШЕ	Плохо	Плохо	ЛУЧШЕ	ЛУЧШЕ
Airex Foam Core	BEST	GOOD	GOOD	ЛУЧШЕ	ЛУЧШЕ	ЛУЧШЕ	ЛУЧШЕ	ЛУЧШЕ	ХОРОШО
Last-A-Foam Core	ЛУЧШЕ	ЛУЧШЕ	ЛУЧШЕ	ЛУЧШЕ	ЛУЧШЕ

Прекурсор	Углеродные волокна	Характеристики
Полиакрилонитрил (ПАН)	Углеродные волокна на основе ПАН	Различные марки и типы
Изотропный пек	Углеродные волокна на основе изотропного пека	Марка GP
Анизотропная мезофазная смола	Углеродные волокна на основе мезофазной смолы	Марка HP, типы HM Различные текстуры в поперечных сечениях 900
Углеводородные газы	Углеродные волокна, выращенные из паров	Высокая графитизируемость Текстура годичных колец в поперечном сечении

Углеродные волокна также классифицируются по их механическим характеристикам , растяжение Это прочность и модуль, поскольку их основное применение — механическое армирование различных композитов.На рис. 4-2 показана классификация, основанная на механических характеристиках.

Рисунок 4-2. Классификация углеродных волокон по механическим характеристикам.

Углеродные волокна, которые имеют относительно низкие прочность на разрыв и модуль упругости, около 1000 МПа и 100 ГПа, соответственно, классифицируются как универсальные (марка GP). Углеродные волокна на основе изотропного пека и некоторые углеродные волокна на основе ПАН относятся к этой марке и используются в тех областях, где их малый вес и объемность выгодны, например.грамм. теплоизоляция для высокотемпературной печи. Недавнее новое применение этих углеродных волокон класса GP состоит в армировании цемента, которое будет описано в главе 7.

Углеродные волокна с более высокой прочностью и модулем, чем у класса GP, называются высокопроизводительными волокнами (класс HP). которые далее подразделяются на высокопрочные (тип HT) и высокомодульные (тип HM). Большинство производимых в промышленности углеродных волокон на основе ПАН относятся к типу HT, а углеродные волокна на основе мезофазного пека, которые производятся путем прядения анизотропных пеков, относятся к типу HM.При производстве углеродных волокон на основе ПАН были приложены большие усилия для получения высокого модуля упругости, и некоторые из них могут иметь относительно высокий модуль. Напротив, в углеродных волокнах на основе мезофазного пека цель состоит в достижении высокой прочности; некоторые коммерчески доступные волокна обладают относительно высокой прочностью. Подробные научные аспекты углеродных волокон, особенно волокон на основе ПАН, были рассмотрены ранее [Bunsell, 1988; Доннет и др., 1998].

В данной главе будет представлен обзор производства, структуры и свойств, связанных с применением углеродных волокон.Поэтому не уделялось внимания прекурсорам для этих углеродных волокон, хотя производство и структура обсуждались на основе прекурсоров, поскольку они строго определяли как процедуру производства, так и получаемую структуру углеродных волокон.

Углеродное волокно — обзор

6.1 Введение

Углеродные волокна являются лучшим выбором в промышленности благодаря их высокой прочности на разрыв, низкой плотности, хорошей теплопроводности и электропроводности, а также высокой термической и химической стабильности [1–4] .Углеродные волокна впервые были использованы Томасом Эдисоном. В 1897 году он запек хлопковые нити при высоких температурах, чтобы обугливать их в нить из чистого углеродного волокна для своих экспериментов с лампами накаливания [5]. Практическое использование углеродных волокон началось в 1960-х годах, когда в Rayon было разработано производство углеродных волокон с высокой механической прочностью и жесткостью. Впоследствии на основе исследований двух ученых были разработаны углеродные волокна с высокими механическими характеристиками: в начале 1960-х гг.Акио Шиндо из Японии разработал процесс предварительного окисления, чтобы увеличить долю углерода до более 55%, используя полиакрилонитрил (ПАН) в качестве сырья. Он изготовил углеродные волокна из ПАН в лаборатории, которые показали модуль упругости более 140 ГПа, что примерно в 3 раза выше, чем у углеродных волокон на основе вискозы в то время [6]. В 1963 году доктор Уильям Ватт из Соединенного Королевства разработал процесс получения углеродного волокна с высокой потенциальной прочностью, поддерживая цепи PAN параллельно оси волокна за счет натяжения на ранних стадиях пиролиза [7].Оба изобретения Шиндо и Ватта в конечном итоге привели к производству современных высокоэффективных углеродных волокон из PAN, а углеродные волокна на основе PAN до сих пор доминируют на мировом рынке.

В настоящее время самым крупным потребителем углеродных волокон является аэрокосмическая промышленность, поскольку углеродные волокна легче и прочнее своих металлических аналогов. Однако не все углеродные волокна достаточно прочные для аэрокосмической промышленности. Свойства и характеристики углеродных волокон сильно зависят от производственного процесса и исходных материалов-прекурсоров [8,9].Для разных прекурсоров требуются разные условия, но основные процессы схожи. Обычно производство углеродного волокна требует обработки нагреванием и растяжением для получения высокопрочных изделий. Термореактивная обработка сначала применяется в диапазоне температур от 200 до 400 ° C на воздухе при растяжении, чтобы получить стабилизированное волокно, с последующим процессом карбонизации в диапазоне температур от 800 до 1500 ° C в бескислородных условиях для удаления примесей. и улучшить кристалличность углерода.Для дальнейшего улучшения характеристик углеродных волокон требуется процесс графитации для графитизации карбонизированных волокон при температуре до 3000 ° C. Во время этих процессов требуется растяжение, чтобы получить предпочтительный кристаллический ориентированный углерод [10,11].

В зависимости от условий производства получаемые углеродные волокна могут быть кристаллическими, аморфными или частично кристаллическими. Кристаллическая область очень похожа на графит, где sp2-гибридизированные атомы углерода ковалентно связаны в сотовой решетке, образуя слой графена.В каждом слое графена sp2-гибридизированные орбитали перекрываются и делокализируют π электронов, подобно металлическим связям. Эти гибридизированные π -связи ответственны за высокую электрическую и теплопроводность углеродных волокон. Эти слои графена уложены параллельно друг другу посредством слабых ван-дер-ваальсовых связей. Однако трудно получить идеальный кристаллический углерод в углеродных волокнах, и основная единица в большинстве углеродных волокон — это пакет турбостратных слоев. Рисунок 6.1 показана типичная структура углеродных волокон, содержащих микродомены параллельных листов графена, дефектные и дисклинационные области. Эти домены могли скручиваться, складываться и соединяться друг с другом в углеродных волокнах [12].

Рисунок 6.1. Микродомены в углеродном волокне. A: область кожи; B: область ядра; C: дефект шпильки; D: клиновидная дисклинация. Воспроизведено с разрешения. (Ссылка [12].)

Copyright © 2013 Elsevier

На основании структуры волокна и степени ориентации кристаллитов, а также механических характеристик углеродные волокна были классифицированы по следующим группам: сверхвысокий модуль (UHM), высокопрочный. модуль упругости (HM), промежуточный модуль (IM), тип стандартного модуля упругости (HT) и тип с низким модулем упругости (LM) (Таблица 6.1) [13]. Углеродные волокна UHM и HM сильно графитизированы при температуре от 2000 до 3000 ° C и характеризуются высоким модулем упругости (> 350 ГПа). В некоторых обзорах и статьях они относятся к высокомодульным углеродным волокнам типа I. Углеродные волокна типа II называются высокопрочными волокнами, но с низким модулем упругости из-за более низкой температуры термообработки (∼1500–2000 ° C). Он включает углеродные волокна IM и HT, а прочность на разрыв углеродных волокон IM может быть более 3 ГПа с отношением прочности к модулю> 1 × 10-2.Тип III — это то, что люди называют изотропными углеродными волокнами, которые показывают случайную ориентацию кристаллитов и обладают модулем упругости ниже 100 ГПа. Основными преимуществами углеродных волокон типа III являются их низкая стоимость и большие объемы из-за низкой температуры термообработки, которые в основном используются для теплоизоляции, нагревательных элементов, фильтров, бетона и спортивных товаров [14].

Таблица 6.1. Классификация углеродных волокон

9003 4 ∼1500

Классы углеродных волокон	Модуль упругости при растяжении (ГПа)	Предел прочности (МПа)	Температура термообработки (° C)	Ориентация кристаллов
Тип со сверхвысоким модулем упругости (UHM)	600 или выше	2500 или выше	& gt; 2000	в основном параллельно оси волокна
Тип с высоким модулем упругости (HM)	350–600	2500 или выше	> 2000	в значительной степени параллельно оси волокна
Тип промежуточного модуля упругости (IM)	280–350	3500 или выше	∼1500–2000	В основном параллельно оси волокна
Стандартный тип модуля упругости (HT)	200–280	2500 или выше	в основном параллельно оси волокна
Тип с низким модулем упругости (LM)	200 или ниже	3500 или ниже	<1000	Случайно

Углеродные волокна также могут быть классифицированы на основе их коммерческой доступности в углеродные волокна с высокими эксплуатационными характеристиками (HP), углеродные волокна общего назначения (GP) и волокна из активированного угля (ACF).Углеродные волокна GP обладают низкой прочностью на разрыв и низким модулем упругости, но при низкой стоимости, что в основном приписывается изотропным углеродным волокнам. Углеродные волокна HP характеризуются замечательной механической прочностью и модулем упругости, которые возникают благодаря более высокому содержанию графитового углерода и большей анизотропии, что в основном используется в полимерных композитах, армированных углеродными волокнами (CFRP), для авиационной промышленности. Эти углеродные волокна также используются в металлических матрицах (например, алюминии) для высокотемпературных аэрокосмических приложений, таких как Space Shuttle.ACF представляют собой углеродные волокна с большой удельной поверхностью и объемом микропор, в основном используемые в качестве адсорбентов, мембран для разделения и очистки и каталитических носителей [15–19]. ACF теперь привлекают больше внимания в энергетических материалах в качестве адсорбентов для водорода и CO ₂ . ACF показали значительно более высокое поглощение CO ₂ , чем хорошо известные адсорбирующие материалы, такие как MOF-5, цеолит и активированный уголь, из-за их нанопористой структуры и особого сродства CO ₂ к поверхностям ACF [20].

До поклона осталось всего несколько компаний, включая Toray, Mitsubishi Chemical, Hexcel, Toho Tenax и Zoltek, SGL carbon, Cytec Engineered Materials и Nippon Graphite Fiber Corporation, которые преуспели в массовом производстве углеродных волокон благодаря многоступенчатому производству. процессы углеродных волокон. Среди этих компаний Toray в Японии является признанным мировым лидером в области производства углеродного волокна и крупнейшим производителем углеродного волокна на основе PAN.

Углеродные волокна на основе ПАН можно разделить на небольшие жгуты и большие жгуты волокна.Небольшой жгут означает углеродные волокна с моноволокнами от 3 до 24 К, чаще всего обозначающие углеродные волокна с высокими эксплуатационными характеристиками, которые можно использовать для всех видов применения. Большие жгуты состоят из моноволокон от 48 до 320 К, которые в основном используются для менее требовательных приложений. Основные производители углеродных волокон на основе ПАН перечислены в Таблице 6.2 в соответствии с их возможностями и торговыми марками.

Таблица 6.2. Мировой производитель углеродных волокон на основе PAN [21]

Toray Группа

Производитель	Торговая марка	Тип основных волокон	Производственные мощности в 2010 году (тонны)
Torayca	Малые буксиры	20900
Toho Tenax Co.Ltd.	Tenax	Малые буксиры	13,500
Mitsubishi Rayon Co. Ltd	Pyrofil, Grafil	Малые буксиры	10,100
Formosa Plastics Group	Tairyfil	Small 8750
Hexcel	HexTow	Малые буксиры	5800
Cytec Engineered Materials	Thornel	Малые буксиры	3000
Dalian Xingke Carbon Fiber Co., Китай		Малые буксиры	760
Aksa Turkey	Aksaca	Малые буксиры	1500
ZOLTEK Group	Panex	большие буксиры	13,500
Group 9077 Sigrafil	большие жгуты	6000

Что такое углеродное волокно?

Поскольку PCMI смотрит в будущее производства, мы много говорим об углеродном волокне.Он легкий, довольно прочный и может быть дешевле, чем традиционные методы производства. Но что такое из углеродного волокна ?

Наука

Готовы к небольшому уроку естествознания? Давай сделаем это. Углеродное волокно — это материал, состоящий в основном из атомов углерода, расположенных в виде длинных тонких кристаллов. Благодаря такому расположению кристаллов, материал невероятно прочен для своей тонкости. (Мы говорим тоньше, чем прядь человеческих волос!)

Эти волокна можно использовать по-разному.Тысячи углеродных волокон можно скрутить вместе, чтобы создать веревки, или сплести вместе, чтобы создать ткань. В сочетании с эпоксидной смолой ему можно придать практически любую форму в зависимости от того, для чего он будет использоваться.

Углеродное волокно широко считается следующей великой инновацией в производстве, позволяющей нам создавать новые материалы и конструкции, которые ранее считались невозможными с традиционными строительными материалами. Хотя первые углеродные волокна были произведены Томасом Эдисоном и Джозефом Своном в качестве нитей в своих лампах накаливания, мы все еще изучаем множество способов использования углеродного волокна.Эти первоначальные пряди были не такими прочными, как современные, а углеродное волокно даже не считалось строительным материалом до 1950-х годов.

Преимущества

Легкость и прочность углеродного волокна одновременно делают его невероятно универсальным материалом. Поскольку углеродное волокно относительно ново для обрабатывающей промышленности, на рынке действительно нет другого материала, который мог бы сравниться с ним.

Соотношение прочности и веса является наиболее очевидным преимуществом углеродного волокна.По сравнению с другими материалами, углеродное волокно стоит особняком на этой арене. Он также выдерживает экстремальные температуры — будь то горячие или холодные — и обладает гибкими тепловыми и электрическими свойствами.

Углеродное волокно также хорошо сочетается с другими. В сочетании с подходящей смолой он чрезвычайно устойчив к коррозии и работает с волокном, пластиком, металлом, деревом и бетоном. Это делает его полезным для широкого спектра продуктов и отраслей.

Кроме того, углеродное волокно может производиться с различной степенью прочности.Для некоторых конструкций, например топливных баков космических кораблей, прочность является ключом к сопротивлению разрыву от внутреннего давления. Однако для кузова автомобиля вам нужно, чтобы материал трескался и крошился при ударе, чтобы поглотить силу в случае аварии. Углеродным волокном можно манипулировать так, чтобы он вел себя по-другому при ударе, что делает его еще более пригодным для коммерческого использования.

Углеродное волокно в своей максимальной прочности в 10 раз прочнее и в пять раз легче стали, в восемь раз прочнее и в 1,5 раза легче алюминия.

Углеродное волокно и вы

Углеродное волокно не только прочность, долговечность и разнообразие применений, но и может повлиять на вашу прибыль. Заменяя алюминиевые детали на углеродное волокно, наша команда может сэкономить клиентам 12% на единицу, что может увеличить производство и прибыль. Он также может выдерживать тяжелые условия, что означает меньшие затраты на ремонт и замену.

Хотите узнать, что углеродное волокно может сделать для вас? Позвоните в нашу команду сегодня и поговорим. PCMI готова удовлетворить ваши потребности в производстве углеродного волокна и не только!

.