Карбон — что это такое. Углеродное волокно, что это такое, применение карбона в современном строительстве Получение углепластика

Известно, что солидный показатель прочности на растяжение, относительно собственного веса, которым обладает углепластик, являет собой уникальное достижение материала и открывает радужные перспективы использования в народном хозяйстве. Использование карбона в современном строительстве пока еще не приняло широкомасштабного использования, хотя карбон купить в настоящее время не составляет трудности. Но простые и надежные методы применения обещают быть долгими.

Углеродное волокно

Первое получение углеродных волокон в результате пиролиза вискозного волокна и использование для нитей накаливания было запатентовано Эдисоном в конце XVIII века.

Повышенный интерес к волокну появился в XX веке в результате поиска материала компонентов композита при изготовлении двигателей ракет и самолетов.

По своим качествам: термостойкости и теплоизоляционным свойствам, а также коррозионной стойкости, карбоновому волокну не было равных.

Характеристики первых образцов полиакрилонитрильных (ПАН) волокон были невысокие, но усовершенствование технологии позволило получить углеводородные волокна прочностью карбонового волокна 2070 МПа и модулем упругости 480 ГПа.

Сегодня, углепластик или карбон имеет масштабный спектр применения в строительстве:

для системы внешнего армирования
для ремонта несущих конструкций складов и мостов, промышленных и жилых зданий.

Использование изделий из углеродного волокна предоставляет возможность проведения строительных мероприятий, по сравнению с существующими способами реконструкции или армирования, быстро и качественно.

Но рассказ о достижениях карбона был бы неполным, если не отметить его использование при изготовлении авиационных деталей.

Достижения отечественных авиапроизводителей составляют здоровую конкуренцию компании Mitsubishi Heavy Industries, производящей детали Boeing 787.

Производство изделий из полимерного материала

Полимерный материал – карбон представляет собой тонковолоконные нити ø от 5 до 15 мкм, образованные атомами углерода и объединенными в микрокристаллы. Именно выравнивание при ориентации кристаллов придает нитям хорошую прочность и растяжение, незначительный удельный вес и коэффициент температурного расширения, химическую инертность.

Производственные процессы получения ПАН волокон связаны с технологией автоклава и последующей пропиткой для упрочнения смолой. Углеродное волокно пропитывают пластиком (препрег) и пропитывают жидким пластиком, укрепляя нити волокна под давлением.

По физическим характеристикам углеродное волокно разделено на типы:

высокопрочные карбоновые волокна (состав 12000 непрерывных волокон)
волокна карбонизированные углеродные общего назначения (крученая нить из 2-х и более волокон длиной до 100 мм).

Углепластиковые конструкции, армированные изделиями из материала, уменьшают вес конструкции на 30%, а химическая инертность позволяет использовать карбоновые ткани при очистке агрессивных жидкостей и газов от примесей в качестве фильтра.

Производство углеродного волокна представлено в этом видео.

Номенклатура изделий из карбонового волокна

карбоновые ткани

Главным изделием из высокомодульного волокна карбона является углеродная (карбоновая) ткань толщиной 1,6 – 5,0 мм, имеющая структуру плетеного полотняного переплетения плотностью от 520 до 560 г/м².

Карбоновые ткани, обладатели нулевого коэффициента линейного расширения, имеют высокую стойкость к деформациям и коррозии.

Характеристиками стандартных углеродных тканей являются:

Параметрами карбоновых тканей являются:

ширина полотна 1000-2000мм
содержание углерода 98,5%
плотность 100-640 г/м2
толщина 0,25-0,30 мм.

Кроме карбоновых тканей основными изделиями высокомодульного волокна являются ленты и шнуры.

Различают следующие виды плетения тканей карбоновых, которые в определенной мере влияют на подвижность изделия:

полотняное переплетение, созданное по принципу переплетения каждой нити основы с уточной нитью 1/1, создавая лучшую прочность и подвижность ткани
сатиновое переплетение, при котором одна нить утка переплетает 4-5 нитей основы, уменьшая возможность сильного изгиба ткани
саржевое переплетение, у которого количество нитей основы перекрыто таким же количеством нитей утка.

Примером возможности саржевого переплетения является разноцветная карбоновая ткань. Карбоновую ткань разноцветную успешно используют при создании кевларовой одежды и вещей, отличающихся гигроскопичностью и способностью к воздухообмену. Кевлар из технических нитей с различной плотностью и структурой уже вошел в обиход авто и военной индустрии, потеснив стеклохолст и сталь.

Преимущества карбона ярко выражены в изделиях из карбонизированного углепластика.

изделия из карбонизированного волокна

Номенклатура изделий из карбонизированного волокна более расширена и представлена:

углеродной тканью карбонизированной RK-300 (заменитель стеклоткани)
тканью с односторонним алюминиевым покрытием RK-300AF (улучшенные свойства за счет термоэкрана позволяют использовать карбон в качестве теплоизоляционного обмоточного материала)
углеродными конструкционными тканями 1k, 3k, 6k, 12k, 24k, 48k
карбонизированными лентами и шнурами.

Тканый холст из карбонового или карбонизированного волокна отлично выполняет функции армирования, независимо от типа наполнителя.

Кроме того, с использованием карбонизированных волокон изготавливают экраны, поглощающие ЭМИ, термопары и электроды, а также радиотехнические изделия.

производство бассейнов с карбоновым усилением

При производстве бассейнов с усилением из карбона в технологию вводят этап добавления в керамический слой карбоновое усиление, древесную бальсу и вспененный каучук. Основанием создания двойного каркаса чаши бассейнов с карбоновым усилением послужили построенные эпюры нагрузки и допустимые напряжения на материал.

Сделаем, вывод, что набирающая обороты популярность использования карбонового волокна в перспективе сможет вытеснить с рынка армирующие материалы.

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.

Производством углеродного волокна в России занимается компания ООО «Композит-Волокно», входящее в холдинг "Композит"

Углеродное волокно является основой для производства (или , 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.

Производство полимерных материалов

Наше предложение

Производство полимерных материалов требует значительного опыта. Для достижения принятых стандартов качества необходимы не только квалифицированные сотрудники, но и налаженная технология изготовления изделий. По этим причинам все представленные имеют высокое качество, гарантируют достижение поставленных перед ними задач и обладают регулярными положительными отзывами.

В каталоге вы сможете подобрать изделия для таких сфер:

машиностроение;
космическая и авиационная промышленность;
ветроэнергетика;
строительство;
спортивный инвентарь;
товары народного потребления

Наше производство изделий из полимерных материалов может обеспечить вас тем количеством изделий, которое вам будет необходимо. Отсутствуют ограничения по объему заказа. При этом вы можете рассчитывать на полную консультацию от профессионалов и оперативное выполнение поставленных задач. Производство полимерных материалов в России, которое мы осуществляем, дает возможность приобретения необходимых единиц каталога по оптовой системе. Изучите наш каталог, а также, если у вас остались какие-либо вопросы - не откладывайте их на потом и обращайтесь прямо сейчас в нашу службу поддержки.

Почему цена на углеволокно так высока?

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. Карбоновая 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. 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?

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.

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.

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.

Как производятся карбоновые и/или композитные изделия?

Технология производства настоящих 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. Говорить о ручной выклейке вообще не стоит. 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 очень дорогого оборудования.

Эпоксидные смолы горячего отверждения прочнее, что позволяет выявить качества 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 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 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.

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.

Механические усилия заставляют думать о прочности оснастки, да и система матрица - пуансон требует либо 3D-моделирования, либо модельщика экстра-класса. Но это, все же, в сотни раз дешевле технологии с автоклавом.

Алексей Романов редактор журнала «ТЮНИНГ Автомобилей»

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 , 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 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 плотности, температуры плавления и прочностных характеристик.

Еще один элемент, используемый для армирования вместе с углеродными нитями - . 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 для углепластика по техническим характеристикам волокна и виду плетения очень важен для получения качественного карбона.

В качестве несущей основы чаще всего используются , 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 .

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:

Антиадгезивом смазывается форма.
После его высыхания наносится тонкий слой смолы, на который прикатывается или прижимается углеткань, для выхода пузырьков воздуха.
Затем наносится еще один слой смолы для пропитки. Можно нанести несколько слоев ткани и смолы, в зависимости от требуемых параметров изделия.
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»?

Ирина Химич, технический консультант

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 - 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