Углеволокно — что это такое

Что такое углеволокно (карбон) и как оно может спасти нас от нефтяного кризиса?

Действительно, цены на топливо из нефтепродуктов сегодня дорожают, и, если автомобиль всё дальше отходит от сравнения с роскошью, то его повседневное использование как средства передвижения – вот что становится настоящей роскошью. Вообще, раньше считалось, что всего несколько стран имели достаточно богатства, чтобы владение автомобилем в них носило массовый характер, в то время как остальные страны не могли позволить себе такую роскошь. Сегодня же, особенно, по мере того как Индия и Китай испытывают существенный рост автомобилизации, вызывая больше спроса и повышения цен на бензин и дизельное топливо и, соответственно, нефть, мы медленно, но верно, а, что ещё хуже, нарастающим темпом движемся к нефтяному кризису. Но гораздо важнее высокой стоимости нефти является тот факт, что это – конечный ресурс: в один прекрасный день мы исчерпаем все ресурсы нефти в недрах Земли, а, если Вы читали статью о том, как работает нефтепереработка, то Вы знаете, что заново нефть формируется долгие и долгие века.

2005 год: Volkswagen представил свой новый концепт-кар EcoRacer. Кузов автомобиля изготовлен из углеродного волокна.

Что такое углеволокно?

Прежде чем Вы сможете понять, как углеродное волокно может помочь решить нефтяной кризис, Вам необходимо понять, что это такое. Углеволокно или “углеродное волокно” или по-простому “карбон” (точнее, карбоновое волокно) – это суперпрочный материал и одновременно очень лёгкий материал. Инженеры и дизайнеры очень его любят, поскольку он аж в пять раз прочнее стали и в два раза жёстче, но весит примерно на две трети меньше. Углеродное волокно – это, в основном, очень тонкие нити углерода – настолько тонкие, что они тоньше даже, чем человеческий волос. При этом, нити углеволокна могут быть скручены вместе, словно пряжа, как ткань. Останется только придать карбону постоянную форму, и делается это с помощью пластика или жёсткой смолы (вроде того как бы Вы сделали что-то из папье-маше, придавая ему форму).

Большинство автомобильных компонентов изготовлено из стали. Замена стальных деталей кузова на углеволокно снизило бы вес большинства автомобиля максимум на 60 процентов. А 60-процентное падение в весе, в свою очередь, снизило бы расход топлива машины на целых 30% и, соответственно, сократило бы выбросы парниковых газов и другие на 10-20% (по данным Oak Ridge National Laboratory). На самом деле, в глобальных масштабах это была бы огромная экономия топлива, даже несмотря на то, что двигатель автомобиля оставался бы чугунно-стальным/алюминиевым. Снижение веса автомобиля вкупе с повышением эффективности использования топлива с учётом развития различных видов двигателей – вот как современный карбон может решить нефтяной кризис.

Но подождите! Если углеволокно, действительно, настолько полезно, то почему оно не так широко применяется в автомобилях на сегодняшний день?

Насколько безопасно углеволокно?

Безопасность является серьёзной проблемой для покупателей автомобилей. Автомобиль, который получает расходует на 30% меньше топлива, безусловно, очень и очень хорошо, но он не принесёт Вам много хорошего, если не поможет спасти Вашу жизнь в аварии. Хорошей новостью является то, что углеродное волокно так же безопасно, как и сталь. Моделирования краш-тестов и реальные краш-тесты показывают, что карбоновые автомобили так же хорошо сохраняются при ДТП, как и стальные автомобили. На самом деле, почти все гоночные автомобили Формулы Один выполнены из углеродного волокна, что подтверждает безопасность этого материала.

Минусы углеволокна

Если вернуться из будущего в настоящее, то Вы можете заметить, что сегодня очень редкий автомобиль на самом деле построен из карбона. По правде говоря, всего несколько десятков моделей машин, использующих углеволокно, доступны для продажи. Среди них BMW M6, где небольшие панели углеродного волокна применены для защиты кузова, Chevrolet Corvette ZR1 и Ford GT. Audi R8 также включает в себя некоторые детали из карбона.

Что общего имеют эти автомобили? Правильно, они стоят много денег – порядка нескольких миллионов рублей. Сегодня можно редко увидеть автомобиль из углеродного волокна, потому что это дорого! 15 лет назад углеродное волокно стоило около $300 за килограмм. Сейчас цена составляет около $20 за кило. Сталь, с другой стороны, стоит меньше, чем 20 рублей за килограмм (речь не о ломе чёрного металла, конечно, а о высококачественной стали для изготовления авто). Многие аналитики говорят, что для того, чтобы углеволокно стало широко использоваться в автомобилестроении, нужно, чтобы сделать его цена опустилась хотя бы примерно до 1 доллара за килограмм. Стоимость является основным препятствием, которое углеродного волокну ещё предстоит преодолеть, прежде чем оно сможет обеспечить жизнеспособное решение для энергетики в автомобилестроении.

Второе препятствие – это утилизация отходов. Что происходит, когда типичный автомобиль стареет и, таким образом, приходит в негодность – ржавеет? Верно, его сталь может быть расплавлена и использована для производства другого автомобиля (или здания или чего-нибудь ещё). Углеволокно, в свою очередь, не может быть расплавлено, и пока никто не придумал, где можно использовать вторичное сырьё из него. После переработки утилизированное углеволокно не так прочно, как это было до переработки. Таким образом, большее число машин, использующих карбон, позволит сэкономить много нефти, но это также может генерировать много отходов.

На фоне таких недостатков углеволокна производители автомобилей смотрят и на другие материалы, чтобы сделать автомобили легче. И один из таких материалов – алюминий. Хотя алюминий не так прочен, как сталь, он всё же гораздо легче. Что делает его хорошим материалом для некоторых компонентов автомобиля, в том числе деталей двигателя и некоторых узлов шасси машины. Так как алюминий не очень прочен, его нельзя применять везде, где сегодня используется сталь, но его низкая стоимость и лёгкий вес позволяют ему довольно широко распространиться в современных автомобилях. Но ещё у алюминия есть свой существенный недостаток – он “устаёт”; это означает, что в алюминии (как и в любом другом металле) появляются микротрещины, которые со временем под нагрузкой разрастаются, и приводят попросту к перелому детали (почитайте про недостатки алюминиевых рам велосипедов – Вы найдёте более подробную информацию о таком свойстве алюминия).

Углеродное волокно (карбон) – строительный материал будущего

Главная страница » Углеродное волокно (карбон) – строительный материал будущего

Композиты CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer) — современные облегчённые и прочные материалы. Этот вид композитов удачно применим для производства различных продуктов, используемых в повседневной жизни. Полимерный композит карбона – это структура, армированная волокнами углерода, выступающего в качестве главного компонента. Следует отметить: символ «Р» аббревиатуры CFRP допускает также расшифровку «пластик», а не только «полимер».

О композитных материалах будущего

Композиты CFRP, как правило, создаются с применением термореактивных смол:

Несмотря на тот факт, что термопластичные смолы используются в составе композитов CFRP, часто можно встретить несколько иную аббревиатуру, определяющую композит как CFRTP (Carbon Fiber Reinforced Thermoplastic Composites). В принципе, разница несущественная.

Тем не менее, при работе с композитами важно понимать все относимые к ним термины и аббревиатуры. Не менее важно понимать свойства композитов CFRP и все возможности участвующего в них силового компонента, коим является карбон.

Преимущества композитов CFRP

Композитные материалы, армированные углеродным волокном — карбоном, резко отличаются от обычных композитов, содержимое структуры которых характерно присутствием традиционных компонентов:

Поэтому свойства композитов CFRP являются более предпочтительными для современных технологий производства.

Таким выглядит внешне строительный материал настоящего и будущего — углеродное волокно. Его также называют кратким, но ёмким словом — карбон

Так, если сравнивать композиты по весу, традиционный армированный стекловолокном композит, где используется непрерывное стекловолокно, состоящее на 70% из стекла, обычно имеет плотность 0,29 грамма на 25,4 мм 3 .

Между тем композит CFRP с тем же содержанием 70% карбона, имеет плотность 0,025 грамма на 25,4 мм 3 . Разница десятикратная. Сравнение по характеристикам прочности также не оставляет шансов традиционным материалам. Композиты из углеродного волокна выигрывают не только по весу.

Этот вид материала значительно прочнее и жестче стекловолокна из расчёта на единицу веса. Остаётся лишь догадываться, какой будет разница, если сравнивать композиты из углеродного волокна с металлами.

Пока что карбон (углеродное полотно) достаточно активно применяется для производства отдельных деталей автомобилей высшего класса. На фото патрубок из карбона для мотора машины

Согласно исследованиям, при сравнении стали и CFRP, структура углеродного волокна с той же прочностью что у стали, будет весить в 5 раз меньше. Этот момент приоткрывает очевидный интерес всемирно известных автомобильных компаний по отношению к технологиям с применением карбона вместо традиционной стали.

Если сравнивать композиты CFRP с алюминием, обладающим славой лёгкого металла, в объёмной составляющей алюминиевая структура с равной прочностью окажется в 1,5 раза тяжелее, нежели структура углеродного волокна.

Конечно, найдётся достаточное количество факторов, которые могут оказать влияние на отмеченные сравнения. К примеру, сорт и качество материалов способны изменить результаты. К тому же для композитов всегда важно учитывать производственный процесс, архитектуру волокон, качество.

Недостатки композитов CFRP

Композиты CFRP уникальные продукты, но есть серьёзная причина, заставляющая искать ответ на вопрос, отчего углеродное волокно активно не используется в гражданском строительстве.

Один из немногочисленных строительных проектов, где частично применялось углеродное волокно для создания экзотических форм. Но даже при малом внедрении материала эффект впечатляет

На текущий момент материалы CFRP остаются всё ещё сильно дорогостоящими. Правда, цена карбона нередко находится в прямой зависимости от конкретных факторов:

  • рыночный спрос и предложения,
  • виды углеродного волокна,
  • размеры,

Сырьё углеродного волокна по цене за килограмм может варьироваться от 5-кратной до 25-кратной стоимости стекловолокна. А в случае сравнения продуктов из стали и композитов на основе CFRP, эта разница увеличивается ещё.

Таким образом, цена инновационного современного продукта является его первым главным недостатком. Второй недостаток карбона — электропроводимость. Углеродное волокно характеризуется как легко проводящее электрический ток.

Но этот недостаток сводится на нет, если отталкиваться от конкретной сферы применения. Для иных проектов электропроводимость углеродного волокна переходит из недостатка в преимущество.

Близкий родственник карбона — стекловолокно. Этот материал тоже обладает уникальными свойствами, но до углеродного волокна ему далеко. Единственное преимущество стекловолокна — свойства изолятора

Опять же, если сравнивать стекловолокно, этот продукт, напротив, характеризуется качественным изолятором. Именно поэтому многие технологии строятся на использовании стекловолокна.

Такие технологии невозможно перестроить на карбон или металл по причине наличия свойств высокой электропроводимости металла и углеродного волокна.

Карбон и перспективы развития

Углеродный волокнистый материал – карбон, обещает широкий диапазон применения, так как позволяет при различных плотностях формировать разные формы и размеры. На современном этапе традиционными формами карбона являются:

  • трубчатая структура,
  • тканая сетка,
  • матерчатый лист.

Каждую из форм доступно изготовить на заказ в любом количестве составных частей, обрезков, кусков.

Пример отдельно взятого изделия на основе углеродного волокна — зеркало заднего вида автомобиля. Здесь не столько радует дизайн, сколько безвременный срок жизни аксессуара

Уже сейчас среди примеров применения углеродных волокон разных по качеству, можно встретить привычные для массового пользователя вещи:

  1. Автозапчасти дорогих машин.
  2. Велосипедные рамы.
  3. Удочки рыболовные и лодочные винты.
  4. Подошвы обуви.
  5. Бейсбольные биты.
  6. Защитные чехлы ноутбуков, смартфонов.

Карбон высокого качества применяется в сферах, где приоритетом являются новые технологии:

  1. Аэронавтика и космическая отрасль.
  2. Нефтегазовая промышленность.
  3. Мостостроительная индустрия.
  4. Строительная сфера.
  5. Ветряная энергетика.

Тем не менее, широкого внедрения карбона пока что не наблюдается. Обусловлены ограничения, прежде всего, высокой себестоимостью процесса получения материала.

Сложности массового производства карбона требуют вливания значительных средств. Этим фактом обусловлен слабый интерес компаний к новому эффективному материалу.

Например, изготовление только лишь одного велосипеда из карбона обходится производителю, как минимум, в сто тысяч рублей. Поэтому для автомобильной промышленности или массового строительства разного рода объектов, внедрение нового материала крайне ограничено.

Этот велосипед был сделан из материала с добавлением углеродного волокна. Точная себестоимость производства экземпляра неизвестна

Актуальный пример: более-менее массовое использование углеродного волокна в конструкциях спортивных экзотических автомобилей. Правда, последние годы наметилась тенденция активного внедрения углеродно-волоконных материалов в мостостроительной сфере.

Пародия на углеродное волокно

На фоне удивительных свойств карбона традиционно активизировались любители выдавать желаемое за действительное. Рынок наполнился предложениями относительно дешёвого углеродного волокна. Внешне продукт действительно похож на карбон, но только внешне.

Фактически, выдаваемые за карбон синтетические материалы являются обычным пластиком, внешне напоминающим углеродное волокно. Такие изделия можно часто встретить среди компонентов компьютерной и другой бытовой техники.

На площадках некоторых интернет магазинов предлагается материал внешне похожий на углеродное волокно. На самом деле это обычное стекловолокно

Карбон легко перепутать с другим материалом – стекловолокном, и этим тоже пользуются недобросовестные продавцы рынка. Но стекловолокно, структурно усиленно нитями кварцевого стекла, а никак не углеродом.

Поэтому материалы из чистого карбона отличаются выраженной прочностью, в то время как материалам на основе стекловолокна присущи выраженные свойства гибкости. Свойства карбона позволяют производить продукты без конкретных сроков долговечности. И в этом тоже существенное отличие.

Углебетон – производная углеродного волокна

Совсем недавно на строительном рынке случилась самая настоящая сенсация. Немецким инженерам удалось применить карбон в качестве арматурного элемента бетона. Так получили новый строительный материал века – углебетон. Правда, чтобы получить конечный результат, немцам потребовались годы.

Лабораторные испытания строительного материала будущего — углебетона. В раствор обычного бетона внедряются нити углеродного волокна

Новый строительный материал логично сравнить с традиционным железобетоном. Только вместо привычной стальной арматуры здесь используется тканое углеродное волокно. Технологию применения такого вида карбона немцы держат в секрете, озвучивают лишь поверхностную технику строительства:

  1. Заливка первого слоя бетонного раствора.
  2. Укладка слоя полотна из карбона.
  3. Заливка второго слоя бетонного раствора и т.д.

Таким способом получают заливную конструкцию нужной толщины и других размеров. Применение карбонного полотна в сочетании с жидким бетоном – такая технология открывает небывалые возможности для создания строительных конструкций невообразимых форм. При этом надёжность строений обещает быть на порядок выше традиционных – железобетонных.

Читайте также:  Как правильно стелить ламинат?

Углеродные ламели: продолжение эпопеи карбона

Между тем наряду с карбонным полотном для бетона, на строительном рынке появилась ещё одна новинка – углеродные ламели.

Примерно так выглядит процесс усиления строительной конструкции, благодаря использованию ламелей из углеродного волокна

Пластинчатый материал, структурно представляющий углеродно-волоконный продукт. Основное предназначение углеродных ламелей:

  • усиление старых несущих конструкций,
  • восстановление и ремонт повреждённых участков,
  • доработка несовершенных (ошибочных) строительных проектов,
  • крепление разрушающихся строений.

Углеродным ламелям присущи свойства выраженной упругости при растяжениях. Этот строительные материал отличают высокие механические характеристики при его малом весе.

Пример удачного использования карбонных ламелей – укрепление мостовых опор. Производство их пока ещё остаётся дорогим, но в перспективе ситуация обещает измениться. Применять ламели из карбона на практике несложно:

  1. Очистить рабочую поверхность.
  2. Нанести специальный эпоксидный клей.
  3. Наложить ламель на рабочий участок.
  4. Плотно прокатить ламель по всей площади упругим валиком.

Через определённый промежуток времени структура ламели пропитывается эпоксидной смолой, застывает и превращается в монолитную крепкую основу. При желании поверх такой основы можно положить декоративный слой.

Начало массового производства углеродного волокна в России

Углеродное волокно – характеристики и особенности хранения

В наиболее ответственных изделиях применяют углекомпозиты (углепластики). Согласно расчетам, среди всех возможных соединений, на основе периодической системы элементов, графит имеет самые высокие прочностные и термические характеристики. Углеродное волокно имеет один из наиболее высоких показателей по удельной прочности среди других волокон. Имеет высокую стойкость к кручению и усталости. Уступая лишь в ударной прочности арамиду и стеклу.

Углеродное волокно-производство

Столь высокую стоимость углеродного волокна обуславливает сложность и энергоемкость процесса его получения. Смысл процесса состоит в поэтапной чистке углеродосодержащих нитей от ненужных атомов, оставляя в конце процесса до 99% углерода в объеме нити.

УВ получают путем термического разложения (пиролизом) исходных нитей: гидратоцеллюлозных, полиакрилонитрильных (ПАН). Так же нефтяных или каменноугольных пеков. В настоящее время, промышленное значение имеет производство УВ на базе вискозы или ПАН.

Процесс получения УВ на основе ПАН

Следует заметить, что химический состав и структура УВ зависит от состава исходного сырья.

В первую очередь, полиакриловые жгуты подвергают окислению, проводя термическую обработку на воздухе при температуре около 200 °С.

Окисленный ПАН так же представляет интерес в некоторых сферах производства как термостойкий и трудно горючий материал.

После окисления, полотно проходит через печи карбонизации (около 1500 °С) и графитизации (около 3000 °С). На этой стадии удаляются остатки водорода и гетероатомов, происходит образование двойных связей между атомами углерода. Процессы карбонизации и графитизации проводятся в инертной среде.

В завершении процесса карбонизации (в некоторых случаях стадия графитизации может исключаться) жгут имеет готовый химический состав и структуру, но проходит еще ряд этапов для повешения адгезии с матрицей:

— обработка поверхности. Поверхность карбонового полотна вследствие данной реакции становится «шероховатой». Обнажая атомы углерода и создавая свободные функциональные группы способные к ионному обмену.

— нанесение ПАВ (поверхностно активное вещество). Оно же, так называемое аппретирование. В качестве аппрета чаще наносятся эпоксидные смолы без отвердителя. Аппрет защищает от истирания в процессе хранения, транспортировки и текстильной переработки. Вытесняет из пор влагу и воздух.

Этап сушки после нанесения аппрета является завершающим этапом, после которого жгуты наматываются на бобины (обычно массой до 8 кг).

Характеристики углеродного волокна

Модуль упругости. УВ обычно группируются в соответствии со своим модулем:

  • Низкомодульное (HS): 160-270 ГПа;
  • Средний модуль (IM): 270-325ГПа;
  • Высокомодульное (НМ): 325-440 ГПа;
  • Сверхвысокий модуль (UHM): 440+ ГПа;

Диаметр и количество элементарных нитей. Каждый жгут состоит из тысяч элементарных нитей (филаментов). Диаметр такой углеродной нити: 5-7 мкм, что в 2-3 раза тоньше человеческого волоса. В маркировке у любого типа волокна есть обозначения: 3К, 6К, 12К, 24К- это и есть количество филаментов в жгуте (в тысячах).

Линейная плотность. Кроме обычной плотности, у волокон принято выделять так же линейную. Измеряется она в тексах (tex). Если линейная плотность указана 800 tex, значит, километр этого жгута имеет массу 800гр.

Прочностные характеристики

Итоговое значение прочности, указываемое в сертификатах качества и т.д. снимается уже с пропитанного и отвержденного жгутика (микропластика). Микропластик- жгут пропитанный полимерным связующим и отвержденный при воздействии растягивающего напряжения.

УВ достаточно хрупкое поэтому не имеет большого смысла снимать с него прочностные характеристики в непропитанном виде. Так же, для конечного потребителя важнее знать свойства углеродного волокна в отвержденной полимерной матрице, то есть в композите. Поэтому в чаще всего указывают:

  • Прочность при растяжении комплексной нити в микропластике. ГПа
  • Модуль упругости при растяжении комплексной нити в микропластике. ГПа

Условия транспортировки и хранения углеродного волокна

  • Бобины должны храниться в крытых складских помещениях в упакованном виде, коробки должны находиться в горизонтальном положении.
  • Рекомендуемые условия хранения.
    • Температура: 0-40 °С. Хранение при минусовой температуре не рекомендуется.
    • Влажность: 40-80%.
  • Допускается перевозка в неотапливаемом транспорте при температуре до -30 °С.
  • Во избежание конденсации влаги на поверхности. Перед использованием, нераспакованные бобины должны быть выдержаны не менее 48 часов при температуре от 20 до 30 °С и влажности от 40 до 80%.
  • При правильных условиях хранения, производитель гарантирует сохранность свойств в течение 2 лет с даты производства.

Заключение

Надо понимать, УВ не является гарантией качества и гарантией сверх прочностных свойств изделия. Сами по себе углеродные нити довольно хрупкие и ломкие. Без правильных условий полимеризации или при не правильном подборе матрицы или ее не совместимости с нитью можно и не достигнуть заявленных производителем свойств. К тому же УВ уступает базальту и стеклу в некоторых видах мех. испытаний. При том, что даже самое дорогое стекло и базальт в 10ки раз дешевле, чем самое дешевое углеродное волокно. В дополнение ко всему, по причине широкого применения углеродных волокон в оборонной промышленности, для того чтобы купить его за рубежом напрямую у производителя необходимо получение лицензии.

Углеволокно — что это такое

Впервые получение и применение углеродных волокон (УВ) (точнее, нитей) было предложено и запатентовано известным американским изобретателем — Томасом Алва Эдисоном в 1880 г. в качестве нитей накаливания в электрических лампах. Эти волокна получались в результате пиролиза хлопкового или вискозного волокна и отличались хрупкостью и высокой пористостью и впоследствии были заменены вольфрамовыми нитями. В течение последующих 20 лет он же предложил получать углеродные и графитированные волокна на основе различных природных волокон. Вторично интерес к углеродным волокнам появился в середине XX в., когда велись поиски материалов, пригодных для использования в качестве компонентов композитов для изготовления ракетных двигателей. УВ по своим качествам оказались одними из наиболее подходящих для такой роли армирующими материалами, поскольку они обладают высокой термостойкостью, хорошими теплоизоляционными свойствами, коррозионной стойкостью к воздействию газовых и жидких сред, высокими удельными прочностью и жесткостью. В 1958 г. в США были получены УВ на основе вискозных волокон. При изготовлении углеродных волокон нового поколения применялась ступенчатая высокотемпературная обработка ГТЦ-волокон (900 °C, 2500 °C), что позволило достичь значений предела прочности при растяжении 330—1030 МПа и модуля упругости 40 ГПа. Несколько позднее (в 1960 г.) была предложена технология производства коротких монокристаллических волокон («усов») графита с прочностью 20 ГПа и модулем упругости 690 ГПа. «Усы» выращивались в электрической дуге при температуре 3600 °C и давлении 0,27 МПа (2,7 атм). Совершенствованию этой технологии уделялось много времени и внимания на протяжении ряда лет, однако в настоящее время она применяется редко ввиду своей высокой стоимости по сравнению с другими методами получения углеродных волокон. Почти в то же время в России и несколько позже, в 1961 г., в Японии были получены УВ на основе полиакрилонитрильных (ПАН) волокон. Характеристики первых углеродных волокон на основе ПАН были невысоки, но постепенно технология совершенствовалась и уже через 10 лет (к 1970 г.) были получены углеродные волокна на основе ПАН-волокон с пределом прочности 2070 МПа и модулем упругости 480 ГПа. Тогда же была показана возможность получения углеродных волокон по этой технологии с еще более высокими механическими характеристиками: модулем упругости до 800 ГПа и пределом прочности более 3 ГПа. УВ на основе нефтяных пеков были получены в 1970 г. также в Японии. За счет специальных технологических приемов механические свойства УВ из пеков могут быть повышены до уровня волокон на основе ПАН. С этого времени разработки УВ развивались во многих фирмах и организациях мира, которые соревновались в достижении наиболее высоких механических свойств. Это соревнование продолжается и сегодня, однако, достигнув рекордных значений, повышать дальше показатели механических свойств оказалось весьма трудно.

Получение

УВ 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, представленные на рис. 1. 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 У. в. могут быть использованы специальные волокна из фенольных смол, лигнина, каменноугольных и нефтяных пеков.

Дополнительная переработка УВ

Углеродные волокна могут выпускаться в разнообразном виде: штапелированные (резаные, короткие) нити, непрерывные нити, тканые и нетканые материалы. Наиболее распространенный вид продукции — жгуты, пряжа, ровинги, нетканые холсты. Изготовление всех видов текстильной продукции производится по обычным технологиям, так же как для других видов волокон. Вид текстильной продукции определяется предполагаемым способом использования УВ в композиционном материале, точно так же, как и сам метод получения композита. Основные методы получения композитов, армированных углеродными волокнами, являются обычными для волокнистых материалов: выкладка, литье под давлением, пултрузия и другие. В настоящее время выпускается ряд видов УВ и УВМ, основные из которых перечислены ниже. На основе вискозных нитей и волокон: • нити, ленты, ткани — Урал®; • нетканый материал — Карбопон®; • активированные сорбирующие ткани — Бусофит®,САУТ-1С, АУТ-М; • активированные сорбирующие нетканые материалы — Карбопон-Актив®. На основе вискозных штапельных волокон: • волокна и нетканые материалы: карбонизованые — Углен® (технология восстановлена на Светлогорском ПО “Химволокно”) и графитированые — Грален®; На основе ПАН-нитей и жгутов: • ленты и ткани — ЛУ®, УКН®, Кулон®, Элур®. • активированные сорбирующие волокна и нетканые материалы — Актилен®, Ликрон®; • дисперсный порошок из размолотых волокон — Ваулен®, АУТ-МИ (для медицинских целей). На основе ПАН-волокон: • Волокна и нетканые материалы: карбонизованные — Эвлон® и графитированные — Конкор®. Выпускают УВ и за рубежом: в США — Торнел®, Целион®, Фортафил®; в Великобритании — Модмор®, Графил®; в Японии — Торейка®, Куреха-лон® и т. д.[1].

До 2007 г. в СНГ углеродные волокна производятся на двух предприятиях: “Аргон” (г. Балаково, Россия) – производство на основе ПАН (полиакрилонитрила) и РУП “Светлогорское ПО Химволокно” (г. Светлогорск, Беларусь, www.sohim.by) – производство на основе вискозы. Оба предприятия обладают собственными мощностями по производству прекурсора. Предприятие в Беларуси – крупнейший мировой производитель углеволокна из вискозы (http://www.promvest.info/354/5338/). По некоторым данным, продолжают работать обе линии НПО «Химволокно» в г. Мытищи. Существовавшие во времена СССР в г. Бровары (под Киевом, Украина), г. Запорожье (Украина) г. С.-Петербурге (НПО “Химволокно”), г. Шуе (Россия) утрачены безвозвратно. Неясна судьба производств в г. Челябинск и г. Электроугли Московской области. Предположительно, частичное оборудование (печи активации) имеются в распоряжении АО “Неорганика”, г. Электросталь.

Компания ОАО «НПК «Химпроминжиниринг» (входит в структуру Росатома) является единственным в России производителем углеродных волокон и одним из не многих производителей ПАН-прекурсоров, которые выпускаются на ее дочерних предприятиях – ООО «Аргон» (г. Балаково Саратовской области), ООО «Завод углеродных и композиционных материалов» http://zukm.ru/ (г. Челябинск) и ООО «СНВ» (г. Саратов). Так же ПАН-прекурсоры (нить, жгут) выпускает ФГУП “ВНИИСВ” (г.Тверь).Основными потребителями углеродных волокон являются предприятия атомной отрасли, а также авиационные предприятия и предприятия военно-промышленного комплекса. ОАО «НПК «Химпроминжиниринг» планирует к 2020 году выйти на объем производства не менее 3000 тонн углеродных волокон в год.

Свойства

УВ имеют исключительно высокую теплостойкость: при тепловом воздействии вплоть до 1600—2000 °С в отсутствии кислорода механические показатели волокна не изменяются. Это предопределяет возможность применения УВ в качестве тепловых экранов и теплоизоляционного материала в высокотемпературной технике. На основе УВ изготавливают углерод-углеродные композиты, которые отличаются высокой абляционной стойкостью. УВ устойчивы к агрессивным химическим средам, однако окисляются при нагревании в присутствии кислорода. Их предельная температура эксплуатации в воздушной среде составляет 300—350°С. Нанесение на УВ тонкого слоя карбидов, в частности SiC, или нитрида бора позволяет в значительной мере устранить этот недостаток. Благодаря высокой химической стойкости УВ применяют для фильтрации агрессивных сред, очистки газов, изготовления защитных костюмов и др. Изменяя условия термообработки, можно получить УВ с различными электрофизическими свойствами (удельное объёмное электрическое сопротивление от 2·10^-3 до 10^6 ом/см) и использовать их в качестве разнообразных по назначению электронагревательных элементов, для изготовления термопар и др.

Активацией УВ получают материалы с большой активной поверхностью (300—1500 м²/г), являющиеся прекрасными сорбентами. Нанесение на волокно катализаторов позволяет создавать каталитические системы с развитой поверхностью.

Обычно УВ имеют прочность порядка 0,5—1 Гн/м² и модуль 20—70 Гн/м², а подвергнутые ориентационной вытяжке — прочность 2,5—3,5 Гн/м² и модуль 200—450 Гн/м². Благодаря низкой плотности (1,7—1,9 г/м³) по удельному значению (отношение прочности и модуля к плотности) механических свойств УВ превосходят все известные жаростойкие волокнистые материалы. На основе высокопрочных и высокомодульных УВ с использованием полимерных связующих получают конструкционные углеродопласты. Разработаны композиционные материалы на основе УВ и керамических связующих, УВ и углеродной матрицы, а также УВ и металлов, способные выдерживать более жесткие температурные воздействия, чем обычные пластики.

Читайте также:  Виды стройматериалов для внутренней отделки

Применение

УВ применяют для армирования композиционных, теплозащитных, хемостойких в качестве наполнителей в различных видах углепластиков. Наиболее емкий рынок для УВ в настоящее время – производство первичных и вторичных структур в самолетах “Боинг” и “Аэробус” (до 30тн на одно изделие). По причине резко возросшего спроса в 2004-2006г.г. на рынке наблюдался большой дефицит волокна, что привело к его резкому удорожанию.

Из УВМ изготовляют электроды, термопары, экраны, поглощающие электромагнитное излучение, изделия для электро- и радиотехники. На основе УВ получают жесткие и гибкие электронагреватели, в том числе ставшие полулярными т.н. “карбоновые нагреватели”, обогреваемую одежду и обувь. Углеродный войлок – единственно возможная термоизоляция в вакуумных печах, работающих при температуре 1100 С и выше. Благодаря химической инертности углеволокнистые материалы используют в качестве фильтрующих слоев для очистки агрессивных жидкостей и газов от дисперсных примесей, а также в качестве уплотнителей и сальниковых набивок. УВА и углеволокнистые ионообменники служат для очистки воздуха, а также технологических газов и жидкостей, выделения из последних ценных компонентов, изготовления средств индивидуальной защиты органов дыхания. Широкое применение находят УВА (в частности, актилен) в медицине для очистки крови и других биологических жидкостей. В специальных салфетках для лечения гнойных ран, ожогов и диабетических язв – незаменима ткань АУТ-М, разработанная в начале 80-х годов и опробованная в Афганистане (http://www.health-ua.com/articles/2291.html). Как лекарственное средство применяют при отравлениях (благодаря высокой способности сорбировать яды. Например препарат “Белосорб”, или АУТ-МИ на основе светлогорского сорбента), как носители лекарственных и биологически активных веществ. УВ катализаторы используют в высокотемпературных процессах неорганических и органических синтеза, а также для окисления содержащихся в газах примесей (СО до CO2, SO2 до SO3 и др.).

Ссылки

[1] К. Перепелкин, «Текстиль» 2 (4), 2003
[2] С. Симамура. Углеродные волокна. М.: «Мир», 1987 г.
[3] Конкин А. А., Углеродные и другие жаростойкие волокнистые материалы, М., 1974.

LehaSinii › Блог › углеволокно, карбон, что это?! давайте разбираться вместе)))

Всем привет, наткнулся на интересную статью, тут на драйве 2, ну и решил ее откопировать себе, думаю многим будет интересно почитать, ибо самим как правило оень “по-Google-ть”)))
За статью спасибо говорим rules26 у него много чего интересного в блоге)
Сегодня мы поможем разобраться в одном из самых интересных материалов 21 века. Начнем с военных технологий, закончим тюнингом.
Углеродное волокно — материал, состоящий из тонких нитей диаметром от 3 до 15 микрон, образованных преимущественно атомами углерода. Атомы углерода объединены в микроскопические кристаллы, выровненные параллельно друг другу. Выравнивание кристаллов придает волокну большую прочность на растяжение. Углеродные волокна характеризуются высокой силой натяжения, низким удельным весом, низким коэффициентом температурного расширения и химической инертностью.
Углеродное волокно является основой для производства углепластиков (или карбона, карбонопластиков, от “carbon”, “carbone” — углерод). Углепластики — полимерные композиционные материалы из переплетенных нитей углеродного волокна, расположенных в матрице из полимерных (чаще эпоксидных) смол.
Углеродные композиционные материалы отличаются высокой прочностью, жесткостью и малой массой, часто прочнее стали, но гораздо легче.
Что такое карбон?
Слово «карбон» — своего рода профессиональный жаргонизм, точнее сокращение от английского Carbon Fiber (углеродное волокно), под эгидой которого, в общем понимании, объединилось огромное количество самых разных материалов. Примерно, как тысячи различных веществ с отличающимися физическими, химическими и техническими свойствами носят название «пластмасса». В случае с карбоном, общим для материалов стал углеволоконный наполнитель, но не связующее вещество, которое может быть разным. Даже полиэтиленовая пленка с впаянными в нее угольными нитями с полным правом может носить это гордое имя. Просто сложившейся классификации углепластиков еще нет.
Большинство современных материалов, применяемых в технике и, особенно, в автомобильной области, доходят до рядового потребителя по схожему сценарию. Новшества появляются в научных лабораториях обычно для нужд «оборонки». Затем, исполнив почетную обязанность по защите Отечества, они прокладывают себе дорогу через спорт и, как следствие, тюнинг к конвейеру. Так произошло и в случае с углеродными материалами.
Какое применение для карбона?
В последние годы проникновение карбона в конструкцию затюнингованных энтузиастами «аппаратов» приняло лавинообразный характер. Кроме того, углепластик все чаще и чаще упоминается в описаниях серийных машин. Этот материал, имеющий военно-космическую и спортивную предысторию, становится все популярнее. Прочность и легкость материалов ценятся конструкторами автомобилей уже давно, примерно с 50-х годов прошлого века. Сегодняшний прогресс технологий производства увеличивает соблазн применять больше композитов в новых разработках. Для владельца машины подобные детали ценны не только декоративностью рисунка углеродной ткани и завораживающей «переливчатостью» отраженного волокнами света, но и сохраняющейся аурой эксклюзивности. Со стороны производителя предложение карбоновых элементов в отделке — показатель технологической «продвинутости» фирмы.
Краткий курс истории.
Не нарушая сложившихся традиций, после «службы в армии» углепластик «занялся» спортом. Лыжники, велосипедисты, гребцы, хоккеисты и многие другие спортсмены по достоинству оценили легкий и прочный инвентарь. В автоспорте карбоновая эра началась в 1976 году. Сначала на машинах McLaren появились отдельные детали из диковинного черно-переливчатого материала, а в 1981 на трассу вышел McLaren MP4 с монококом, полностью изготовленным из углеволоконного композита. Так идея главного конструктора команды Lotus Колина Чепмена, создавшего в 1960-х несущую основу гоночного кузова, получила качественное развитие. Однако в то время новый материал был еще неведом технологам от автоспорта, потому неразрушаемую капсулу для McLaren изготовила американская компания Hercules Aerospace, обладающая опытом военно-космических разработок. Сейчас же в активе практически всех ведущих команд Формулы-1 есть собственное оборудование для выпуска карбоновых монококов, рычагов подвески, антикрыльев, спойлеров, сидений пилотов, рулей и даже тормозных дисков.
Что же такое КАРБОН или углеродное волокно?
Углеродное волокно состоит из множества тончайших нитей углерода. Прочность нитей на разрыв, сравнимая с прочностью легированной стали, при массе, меньшей, чем у алюминия, обуславливает высокие механические характеристики карбонов. Интересно, что наиболее распространенная технология получения столь прочного материала основана на методе «обугливания» волокон, по изначальным свойствам близким к шерсти. Исходный полимер белого цвета с мудреным названием полиакрилонитрил подвергается нескольким циклам нагрева в среде инертных газов. Сначала под воздействием высокой температуры (около 260 C) на молекулярном уровне изменяется внутренняя структура вещества. Затем при температурах повыше (около 700 C) атомы углерода «сбрасывают» водород. После нескольких «поджариваний» водород удаляется полностью. Теперь удерживавшие его силы направлены на упрочнение связей между оставшимися элементами. На шерсть материал уже не похож, однако его прочность еще далека от идеала. И процесс под названием графитизация продолжается. Повторяющиеся операции нагрева до 1300 C «очищают» почерневшее волокно уже от азота. Полностью избавиться от последнего не удается, однако его количество уменьшается. Каждый «шаг» делает содержание в веществе атомов углерода все больше, а их связь все крепче. Механизм упрочнения такой же, как и при «изгнании» водорода. Самая прочная продукция проходит несколько ступеней графитизации при температуре до 3000 C и обозначается аббревиатурой UHM.
Почему так дорого?
Большие затраты энергии — основная причина высокой себестоимости углеродного волокна. Впрочем, это с лихвой компенсируется впечатляющим результатом. Даже не верится, что все начиналось с «мягкого и пушистого» материала, содержащегося в довольно прозаических вещах и известных не только сотрудникам химических лабораторий. Белые волокна — так называемые сополимеры полиакрилонитрила — широко используются в текстильной промышленности. Они входят в состав плательных, костюмных и трикотажных тканей, ковров, брезента, обивочных и фильтрующих материалов. Иными словами, сополимеры полиакрилонитрила присутствуют везде, где на прилагающейся этикетке упомянуто акриловое волокно. Некоторые из них «несут службу» в качестве пластмасс. Наиболее распространенный среди таковых — АБС-пластик. Вот и получается, что «двоюродных родственников» у карбона полным-полно.
Угольная нить имеет впечатляющие показатели по усилию на разрыв, но ее способность «держать удар» на изгиб «подкачала». Поэтому, для равной прочности изделий, предпочтительнее использовать ткань. Организованные в определенном порядке волокна «помогают» друг другу справиться с нагрузкой. Однонаправленные ленты лишены такого преимущества. Однако, задавая различную ориентацию слоев, можно добиться искомой прочности в нужном направлении, значительно сэкономить на массе детали и излишне не усиливать непринципиальные места.
Что такое карбоновая ткань?
Сохранить в Альбом

plain
Для изготовления карбоновых деталей применяется как просто углеродное волокно с хаотично расположенными и заполняющими весь объем материала нитями, так и ткань (Carbon Fabric). Существуют десятки видов плетений. Наиболее распространены Plain, Twill, Satin. Иногда плетение условно — лента из продольно расположенных волокон «прихвачена» редкими поперечными стежками только для того, чтобы не рассыпаться.
Плотность ткани, или удельная масса, выраженная в г/м2, помимо типа плетения зависит от толщины волокна, которая определяется количеством угленитей. Данная характеристика кратна тысячи. Так, аббревиатура 1К означает тысячу нитей в волокне. Чаще всего в автоспорте и тюнинге применяются ткани плетения Plain и Twill плотностью 150–600 г/м2, с толщиной волокон 1K, 2.5K, 3К, 6K, 12K и 24К. Ткань 12К широко используется и в изделиях военного назначения (корпуса и головки баллистических ракет, лопасти винтов вертолетов и подводных лодок, и пр.), то есть там, где детали испытывают колоссальные нагрузки.
Сохранить в Альбом

satin
Бывает ли цветной карбон? Желтый карбон бывает?
Часто от производителей тюнинговых деталей и, как следствие, от заказчиков можно услышать про «серебристый» или «цветной» карбон. «Серебряный» или «алюминиевый» цвет — всего лишь краска или металлизированное покрытие на стеклоткани. И называть карбоном такой материал неуместно — это стеклопластик. Отрадно, что и в данной области продолжают появляться новые идеи, но по характеристикам стеклу с углем углеродным никак не сравниться. Цветные же ткани чаще всего выполнены из кевлара. Хотя некоторые производители и здесь применяют стекловолокно; встречается даже окрашенные вискоза и полиэтилен. При попытке сэкономить, заменив кевлар на упомянутые полимерные нити, ухудшается адгезия такого продукта со смолами. Ни о какой прочности изделий с такими тканями не может быть и речи.
Отметим, что «Кевлар», «Номекс» и «Тварон» — патентованные американские марки полимеров. Их научное название «арамиды». Это родственники нейлонов и капронов. В России есть собственные аналоги — СВМ, «Русар», «Терлон» СБ и «Армос». Но, как часто бывает, наиболее «раскрученное» название — «Кевлар» — стало именем нарицательным для всех материалов.
Сохранить в Альбом

twill2/2
Что такое кевлар и какие у него свойства?
По весовым, прочностным и температурным свойствам кевлар уступает углеволокну. Способность же кевлара воспринимать изгибающие нагрузки существенно выше. Именно с этим связано появление гибридных тканей, в которых карбон и кевлар содержатся примерно поровну. Детали с угольно-арамидными волокнами воспринимают упругую деформацию лучше, чем карбоновые изделия. Однако есть у них и минусы. Карбон-кевларовый композит менее прочен. Кроме того, он тяжелее и «боится» воды. Арамидные волокна склонны впитывать влагу, от которой страдают и они сами, и большинство смол. Дело не только в том, что «эпоксидка» постепенно разрушается водно-солевым раствором на химическом уровне. Нагреваясь и охлаждаясь, а зимой вообще замерзая, вода механически расшатывает материал детали изнутри. И еще два замечания. Кевлар разлагается под воздействием ультрафиолета, а формованный материал в смоле утрачивает часть своих замечательных качеств. Высокое сопротивление разрыву и порезам отличают кевларовую ткань только в «сухом» виде. Потому свои лучшие свойства арамиды проявляют в других областях. Маты, сшитые из нескольких слоев таких материалов, — основной компонент для производства легких бронежилетов и прочих средств безопасности. Из нитей кевлара плетут тонкие и прочные корабельные канаты, делают корд в шинах, используют в приводных ремнях механизмов и ремнях безопасности на автомобилях.
А можно обклеить деталь карбоном?
Непреодолимое желание иметь в своей машине детали в черно-черную или черно-цветную клетку привели к появлению диковинных суррогатов карбона. Тюнинговые салоны обклеивают деревянные и пластмассовые панели салонов углеродной тканью и заливают бесчисленными слоями лака, с промежуточной ошкуриванием. На каждую деталь уходят килограммы материалов и масса рабочего времени. Перед трудолюбием мастеров можно преклоняться, но такой путь никуда не ведет. Выполненные в подобной технике «украшения» порой не выдерживают температурных перепадов. Со временем появляется паутина трещин, детали расслаиваются. Новые же детали неохотно встают на штатные места из-за большой толщины лакового слоя.
Не принимайте это на свой счет, кто ищет тот найдет! Автор не претендует на истину в конечной инстанции.
Как производятся карбоновые и/или композитные изделия?
Технология производства НАСТОЯЩИХ карбоновых изделий основывается на особенностях применяемых смол. Компаундов, так правильно называют смолы, великое множество. Наиболее распространены среди изготовителей стеклопластиковых обвесов полиэфирная и эпоксидная смолы холодного отверждения, однако они не способны полностью выявить все преимущества углеволокна. Прежде всего, по причине слабой прочности этих связующих компаундов. Если же добавить к этому плохую стойкость к воздействию повышенных температур и ультрафиолетовых лучей, то перспектива применения большинства распространенных марок весьма сомнительна. Сделанный из таких материалов карбоновый капот в течение одного жаркого летнего месяца успеет пожелтеть и потерять форму. Кстати, ультрафиолет не любят и «горячие» смолы, поэтому, для сохранности, детали стоит покрывать хотя бы прозрачным автомобильным лаком.
Компаунды холодного твердения.
«Холодные» технологии мелкосерийного выпуска малоответственных деталей не позволяют развернуться, поскольку имеют и другие серьезные недостатки. Вакуумные способы изготовления композитов (смола подается в закрытую матрицу, из которой откачан воздух) требуют продолжительной подготовки оснастки. Добавим к этому и перемешивание компонентов смолы, «убивающее» массу времени, что тоже не способствует производительности. Это Россия, раслабся 😀 Метод же напыления рубленого волокна в матрицу не позволяет использовать ткани. Собственно, все идентично стеклопластиковому производству. Просто вместо стекла применяется уголь. Даже самый автоматизированный из процессов, который к тому же позволяет работать с высокотемпературными смолами (метод намотки), годится для узкого перечня деталей замкнутого сечения и требует оборудования.
Эпоксидные смолы горячего отверждения прочнее, что позволяет выявить качества карбонов в полной мере. У некоторых «горячих» смол механизм полимеризации при «комнатной» температуре запускается очень медленно. На чем, собственно, и основана так называемая технология препрегов, предполагающая нанесение готовой смолы на углеткань или углеволокно задолго до процесса формования. Приготовленные материалы просто ждут своего часа на складах.
В зависимости от марки смолы время жидкого состояния обычно длится от нескольких часов до нескольких недель. Для продления сроков жизнеспособности, приготовленные препреги, иногда хранят в холодильных камерах. Некоторые марки смол «живут» годами в готовом виде. Прежде чем добавить отвердитель, смолы разогревают до 50–60 C, после чего, перемешав, наносят посредством специального оборудования на ткань. Затем ткань прокладывают полиэтиленовой пленкой, сворачивают в рулоны и охлаждают до 20–25 C. В таком виде материал будет храниться очень долго. Причем остывшая смола высыхает и становится практически не заметной на поверхности ткани. Непосредственно при изготовлении детали нагретое связующее вещество становится жидким как вода, благодаря чему растекается, заполняя весь объем рабочей формы и процесс полимеризации ускоряется.
Компаунды горячего твердения.
«Горячих» компаундов великое множество, при этом у каждой собственные температурные и временные режимы отверждения. Обычно, чем выше требуемые показания термометра в процессе формовки, тем прочнее и устойчивее к нагреву готовое изделие. Исходя из возможностей имеющегося оборудования и требуемых характеристик конечного продукта, можно не только выбирать подходящие смолы, но делать их на заказ. Некоторые отечественные заводы-изготовители предлагают такую услугу. Естественно, не бесплатно.
Препреги как нельзя лучше подходят для производства карбона в автоклавах. Перед загрузкой в рабочую камеру нужное количество материала тщательно укладывается в матрице и накрывается вакуумным мешком на специальных распорках. Правильное расположение всех компонентов очень важно, иначе не избежать нежелательных складок, образующихся под давлением. Исправить ошибку впоследствии будет невозможно. Если бы подготовка велась с жидким связующим, то стала бы настоящим испытанием для нервной системы рабочих с неясными перспективами успеха операции.
Процессы, происходящие внутри установки, незатейливы. Высокая температура расплавляет связующее и «включает» полимеризацию, вакуумный мешок удаляет воздух и излишки смолы, а повышенное давление в камере прижимает все слои ткани к матрице. Причем происходит все одновременно.
С одной стороны, одни преимущества. Прочность такого углепластика практически максимальна, объекты самой затейливой формы делаются за один «присест». Сами матрицы не монументальны, поскольку давление распределено равномерно во всех направлениях и не нарушает геометрию оснастки. Что означает быструю подготовку новых проектов. С другой стороны, нагрев до нескольких сотен градусов и давление, порой доходящее до 20 атм., делают автоклав очень дорогостоящим сооружением. В зависимости от его габаритов цены на оборудование колеблются от нескольких сотен тысяч до нескольких миллионов долларов. Прибавим к этому нещадное потребление электроэнергии и трудоемкость производственного цикла. Результат — высокая себестоимость продукции. Есть, впрочем, технологии подороже и посложнее, чьи результаты впечатляют еще больше. Углерод-углеродные композиционные материалы (УУКМ) в тормозных дисках на болидах Формулы-1 и в соплах ракетных двигателей выдерживают чудовищные нагрузки при температурах эксплуатации, достигающих 3000 C. Эту разновидность карбона получают путем графитизации термореактивной смолы, которой пропитывают спрессованное углеродное волокно заготовки. Операция чем-то похожа на производство самого углеволокна, только происходит она при давлении 100 атмосфер. Да, большой спорт и военно-космическая сфера деятельности способны потреблять штучные вещи по «заоблачным» ценам. Для тюнинга и, тем более, для серийной продукции такое соотношение «цены-качества» неприемлемо.
Если решение найдено, оно выглядит настолько простым, что удивляешься: «Что же мешало додуматься раньше?». Тем не менее, идея разделить процессы, происходящие в автоклаве, возникла спустя годы поиска. Так появилась и стала набирать обороты технология, сделавшая горячее формование карбона похожим на штамповку. Препрег готовится в виде сэндвича. После нанесения смолы ткань с обеих сторон покрывается либо полиэтиленовой, либо более термостойкой пленкой. «Бутерброд» пропускается между двух валов, прижатых друг к другу. При этом лишняя смола и нежелательный воздух удаляются, примерно так же, как и при отжиме белья в стиральных машинах образца 1960-х годов. В матрицу препрег вдавливается пуансоном, который фиксируется резьбовыми соединениями. Далее вся конструкция помещается в термошкаф.
Сохранить в Альбом

Читайте также:  Какой металлопрокат самый востребованный?

twill4/4
Тюнинговые фирмы изготавливают матрицы из того же карбона и даже прочных марок алебастра. Гипсовые рабочие формы, правда, недолговечны, но пара-тройка изделий им вполне по силам. Более «продвинутые» матрицы делаются из металла и иногда оснащаются встроенными нагревательными элементами. В серийном производстве они оптимальны. Кстати, метод подходит и для некоторых деталей замкнутого сечения. В этом случае легкий пуансон из вспененного материала остается внутри готового изделия. Антикрыло Mitsubishi Evo — пример такого рода.
Автор статьи :Алексей Романов ( в редакции Rules26 :))
редактор журнала «ТЮНИНГ Автомобилей» имеет свой взгляд на мир карбона)))
И не изготовив пару тройку деталей судит о том что “знает” только по книжкам.
Пробуйте и дерзайте!

Карбон — что это такое

Что такое углепластик

Углепластик — это композиционный многослойный материал, представляющий собой полотно из углеродных волокон в оболочке из термореактивных полимерных (чаще эпоксидных) смол, Carbon-fiber-reinforced polymer .

Международное наименование Carbon — это углерод, из которого и получаются карбоновые волокна carbon fiber.

Но в настоящее время к карбонам относят все композитные материалы, в которых несущей основой являются углеродные волокна, а вот связующее может быть разным. Карбон и углепластик объединились в один термин, привнеся путаницу в головы потребителей. То есть карбон или углепластик — это одно и то же.

Это инновационный материал, высокая стоимость которого обусловлена трудоемким технологическим процессом и большой долей ручного труда при этом. По мере совершенствования и автоматизации процессов изготовления цена карбона будет снижаться. Для примера: стоимость 1 кг стали — менее 1 доллара, 1 кг карбона европейского производства стоит около 20 долларов. Удешевление возможно только за счет полной автоматизации процесса.

Применение карбона

Изначально карбон был разработан для спортивного автомобилестроения и космической техники, но благодаря своим отличным эксплуатационным свойствам, таким как малый вес и высокая прочность, получил широкое распространение и в других отраслях промышленности:

  • в самолетостроении,
  • для спортивного инвентаря: клюшек, шлемов, велосипедов.
  • удочек,
  • медицинской техники и др.

Гибкость углеродного полотна, возможность его удобного раскроя и резки, последующей пропитки эпоксидной смолой позволяют формовать карбоновые изделия любой формы и размеров, в том числе и самостоятельно. Полученные заготовки можно шлифовать, полировать, красить и наносить флексопечать.

Технические характеристики и свойства карбона

Популярность углепластика объясняется его уникальными эксплуатационными характеристиками, которые получаются в результате сочетания в одном композите совершенно разных по своим свойствам материалов — углеродного полотна в качестве несущей основы и эпоксидных компаундов в качестве связующего.

Армирующий элемент, общий для всех видов углепластика — углеродные волокна толщиной 0,005-0,010 мм, которые прекрасно работают на растяжение, но имеют низкую прочность на изгиб, то есть они анизотропны, прочны только в одном направлении, поэтому их использование оправдано только в виде полотна.

Дополнительно армирование может проводиться каучуком, придающим серый оттенок карбону.

Карбон или углепластик характеризуются высокой прочностью, износостойкостью, жёсткостью и малой, по сравнению со сталью, массой. Его плотность — от 1450 кг/м³ до 2000 кг/м³. Технические характеристики углеволокна можно посмотреть в сравнительной таблице плотности, температуры плавления и прочностных характеристик.

Еще один элемент, используемый для армирования вместе с углеродными нитями — кевлар. Это те самые желтые нити, которые можно видеть в некоторых разновидностях углепластика. Некоторые недобросовестные производители выдают за кевлар цветное стекловолокно, окрашенные волокна вискозы, полиэтилена, адгезия которых со смолами гораздо хуже, чем у углепластика, да и прочность на разрыв в разы меньше.

Кевлар—это американская торговая марка класса полимеров арамидов, родственных полиамидам, лавсанам. Это название уже стало нарицательным для всех волокон этого класса. Армирование повышает сопротивление изгибающим нагрузкам, поэтому его широко используют в комбинации с углепластиком.

Как делают карбоновые нити

Волокна, состоящие из тончайших нитей углерода, получают термической обработкой на воздухе, то есть окислением, полимерных или органических нитей (полиакрилонитрильных, фенольных, лигниновых, вискозных) при температуре 250 °C в течение 24 часов, то есть практически их обугливанием. Вот так выглядит под микроскопом углеродная нить после обугливания.

После окисления проходит карбонизация — нагрев волокна в среде азота или аргона при температурах от 800 до 1500 °C для выстраивания структур, подобных молекулам графита.

Затем проводится графитизация (насыщение углеродом) в этой же среде при температуре 1300-3000 °C. Этот процесс может повторяться несколько раз, очищая графитовое волокно от азота, повышая концентрацию углерода и делая его прочнее. Чем выше температура, тем прочнее получается волокно. Этой обработкой концентрация углерода в волокне увеличивается до 99%.

Виды волокон карбона. Полотно

Волокна могут быть короткими, резаными, их называют «штапелированными», а могут быть непрерывные нити на бобинах. Это могут быть жгуты, пряжа, ровинг, которые затем используются для изготовления тканого и нетканого полотна и лент. Иногда волокна укладываются в полимерную матрицу без переплетения (UD).

Так как волокна отлично работают на растяжение, но плохо на изгиб и сжатие, то идеальным вариантом использования углеволокна является применение его в виде полотна Carbon Fabric.

Оно получается различными видами плетения: елочкой, рогожкой и пр., имеющими международные названия Plain, Twill, Satin. Иногда волокна просто перехвачены поперек крупными стежками до заливки смолой. Правильный выбор полотна для углепластика по техническим характеристикам волокна и виду плетения очень важен для получения качественного карбона.

В качестве несущей основы чаще всего используются эпоксидные смолы, в которых полотно укладывается послойно, со сменой направления плетения, для равномерного распределения механических свойств ориентированных волокон. Чаще всего в 1 мм толщины листа карбона содержится 3-4 слоя.

Достоинства и недостатки карбона

Более высокая цена карбона по сравнению со стеклопластиком и стекловолокном объясняется более сложной, энергоемкоймногоэтапной технологией, дорогими смолами и более дорогостоящим оборудованием (автоклав). Но и прочность с эластичностью при этом получаются выше наряду со множеством других неоспоримых достоинств:

  • легче стали на 40%, легче алюминия на 20% (1,7 г/см3 — 2,8 г/см3 — 7,8 г/см3),
  • карбон из углерода и кевлара немного тяжелее, чем из углерода и резины, но намного прочнее, а при ударах трескается, крошится, но не рассыпается на осколки,
  • высокая термостойкость: карбон сохраняет форму и свойства до температуры 2000 ○С.
  • обладает хорошими виброгасящими свойствами и теплоемкостью,
  • коррозионная стойкость,
  • высокий предел прочности на разрыв и высокий предел упругости,
  • эстетичность и декоративность.

Но по сравнению с металлическими и деталями из стекловолокна карбоновые детали имеют недостатки:

  • чувствительность к точечным ударам,
  • сложность реставрации при сколах и царапинах,
  • выцветание, выгорание под воздействием солнечных лучей, для защиты покрывают лаком или эмалью,
  • длительный процесс изготовления,
  • в местах контакта с металлом начинается коррозия металла, поэтому в таких местах закрепляют вставки из стекловолокна,
  • сложность утилизации и повторного использования.

Как делают карбон

Существуют следующие основные методы изготовления изделий из углеткани.

1. Прессование или «мокрый» способ

Полотно выкладывается в форму и пропитывается эпоксидной или полиэфирной смолой. Излишки смолы удаляются или вакуумформованием или давлением. Изделие извлекается после полимеризации смолы. Этот процесс может проходить или естественным путем или ускоряется нагревом. Как правило, в результате такого процесса получается листовой углепластик.

2. Формование

Изготавливается модель изделия (матрица) из гипса, алебастра, монтажной пены, на которую выкладывается пропитанная смолой ткань. При прокатке валиками композит уплотняется и удаляются излишки воздуха. Затем проводится либо ускоренная полимеризация и отверждение в печи, либо естественная. Этот способ называют «сухим» и изделия из него прочнее и легче, чем изготовленные «мокрым» способом. Поверхность изделия, изготовленного «сухим» способом, ребристая (если его не покрывали лаком).

К этой же категории можно отнести формование из листовых заготовок — препрегов.

Смолы по своей способности полимеризоваться при повышении температуры разделяются на «холодные» и «горячие». Последние используют в технологии препрегов, когда изготавливают полуфабрикаты в виде нескольких слоев углеткани с нанесенной смолой. Они в зависимости от марки смолы могут храниться до нескольких недель в неполимеризованном состоянии, прослоенные полиэтиленовой пленкой и пропущенные между валками для удаления пузырьков воздуха и лишней смолы. Иногда предпреги хранят в холодильных камерах. Перед формованием изделия заготовку разогревают, и смола опять становится жидкой.

3. Намотка

Нить, ленту, ткань наматывают на цилиндрическую заготовку для изготовления карбоновых труб. Кистью или валиком наносят послойно смолу и сушат преимущественно в печи.

Во всех случаях поверхность нанесения смазывается разделительными смазками для простого снятия получившегося изделия после застывания.

Можно ли сделать углепластик своими руками

Изделия на основе углеволокна можно формовать и самим, что уже давно и успешно применяется при ремонте велосипедов, спортивного инвентаря, тюнинге автомобилей. Возможность экспериментировать с наполнителями для смолы, со степенью ее прозрачности предоставляет широкое поле для творчества любителям автотюнинга карбоном. Подробнее об основных методах изготовлении деталей из карбона можно почитать здесь .

Как следует из описанной выше технологии, для формования необходимо:

  • форма-матрица,
  • углеродное полотно,
  • смазка для формы для легкого съема готовой заготовки,
  • смола.

Где брать углеткань? Тайвань, Китай, Россия. Но в России это относится к «конструкционным тканям повышенной прочности на основе углеволокна». Если найдете выход на предприятие, то вам очень повезло. Много компаний предлагают готовые наборы для отделки автомобилей и мотоциклов карбоном «Сделай сам», включающих фрагменты углеткани и смолу.

70% мирового рынка углеткани производят тайваньские и японские крупные бренды: Mitsubishi, TORAY, TOHO, CYTEC, Zoltec и пр.

В общих чертах процесс изготовления углепластика своими руками выглядит так:

  1. Антиадгезивом смазывается форма.
  2. После его высыхания наносится тонкий слой смолы, на который прикатывается или прижимается углеткань, для выхода пузырьков воздуха.
  3. Затем наносится еще один слой смолы для пропитки. Можно нанести несколько слоев ткани и смолы, в зависимости от требуемых параметров изделия.
  4. Смола может полимеризироваться на воздухе. Это происходит обычно в течение 5 дней. Можно поместить заготовку в термошкаф, нагретый до температуры 140 – 180 ◦С, что значительно ускорит процесс полимеризации.

Затем изделие извлекаем из формы, шлифуем, полируем, покрываем лаком, гелькоутом или красим.

Надеемся, вы нашли исчерпывающий ответ на вопрос «Что такое карбон»?

Ссылка на основную публикацию