Хочется рассказать о 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.
имерно, 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.
годняшний 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.
очность 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.
мая 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?
Для изготовления карбоновых деталей применяется как просто углеродное волокно с хаотично расположенными и заполняющими весь объем материала нитями, так и ткань (Carbon Fabric).
ществуют 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.
етные 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.
греваясь 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.
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.
тати, 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.
я 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.
авильное 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.
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. Очень распространённое применение угля в ламинации разных деталей .

Источник: www.drive2.com

Технология получения

Для производства материала используют сырье в виде природных или химических волокон органического происхождения. Далее, в результате специальной обработки, от исходной заготовки остаются только углеродные атомы. Главной воздействующей силой является температура. Технологический процесс предусматривает выполнение нескольких этапов термообработки. На первой стадии происходит окисление первичной структуры в условиях температурного режима до 250 °C. На следующем этапе получение углеродных волокон переходит в процедуру карбонизации, в результате которой материал нагревается в азотной среде при высоких температурах до 1500 °C. Таким образом формируется графитоподобная структура. Завершает весь процесс изготовления финальная обработка в виде графитизации при 3000 °C. На этой стадии содержание чистого углерода в волокнах достигает 99 %.

Где применяется волокно углеродное?

Если в первые годы популяризации материал использовался исключительно в узкоспециализированных областях, то сегодня наблюдается расширение производств, в которых задействуется данное химволокно. Материал довольно пластичен и разнороден в плане возможностей эксплуатации. С большой вероятностью области применения таких волокон будут расширяться, но уже сегодня оформились базовые типы представления материала на рынке. В частности, можно отметить строительную сферу, медицину, изготовление электротехники, бытовых приборов и т. д. Что касается специализированных областей, то использование углеродных волокон по-прежнему актуально для производителей авиатехники, медицинских электродов и радиопоглощающих материалов.

Формы изготовления

В первую очередь это термоустойчивые текстильные изделия, среди которых можно выделить ткани, нити, трикотаж, войлок и т. д. Более технологичным направлением является изготовление композитов. Пожалуй, это наиболее широкий сегмент, в котором представлено волокно углеродное как основа изделий для серийного производства. В частности, это подшипники, термоустойчивые узлы, детали и различные элементы, которые работают в условиях агрессивных сред. Преимущественно композиты ориентированы на рынок автомобилестроения, однако и строительная область довольно охотно рассматривает новые предложения от изготовителей данного химволокна.

Свойства материала

Специфика технологии получения материала наложила свой отпечаток на эксплуатационные качества волокон. В результате высокая термическая стойкость стала главной отличительной чертой структуры таких изделий. Кроме тепловых воздействий, материал устойчив и к химическим агрессивным средам. Правда, если в процессе окисления при нагревании присутствует кислород, это губительно сказывается на волокнах. Зато механическая прочность углеродного волокна может составить конкуренцию многим традиционным материалам, которые считаются твердотельными и стойкими к повреждениям. Это качество особенно выражено в карбоновых изделиях. Еще одним свойством, которое имеет спрос среди технологов различной продукции, является способность абсорбции. Благодаря активной поверхности данное волокно можно рассматривать в качестве эффективной каталитической системы.

Производители

Передовиками в сегменте являются американские, японские и немецкие компании. Российские технологии в этой области практически не развивались последние годы и по-прежнему базируются на разработках времен СССР. На сегодняшний день половина изготавливаемых в мире волокон приходится на долю японских компаний Mitsubishi, Kureha, Teijin и др. Другую часть делят между собой немцы и американцы. Так, со стороны США выступает компания Cytec, а в Германии волокно углеродное производит фирма SGL. Не так давно в список лидеров этого направления вошло и тайваньское предприятие Formosa Plastics. Что касается отечественного производства, то разработками композитов занимаются лишь две компании – «Аргон» и «Химволокно». При этом серьезные достижения за последние годы сделали белорусские и украинские предприниматели, осваивающие новые ниши для коммерческого использования углепластиков.

Будущее углеродных волокон

Поскольку некоторые виды углепластиков уже в ближайшее время позволят выпускать изделия, способные сохранять изначальную структуру миллионы лет, многие специалисты предсказывают перепроизводство подобной продукции. Несмотря на это, заинтересованные компании продолжают вести гонку технологических обновлений. И во многом это оправдано, так как свойства углеродных волокон на порядок превосходят аналогичные качества традиционных материалов. Достаточно вспомнить прочность и термостойкость. Исходя из этих достоинств разработчики и осваивают новые направления развития. Внедрение материала, скорее всего, будет охватывать не только специализированные сферы, но и близкие к массовому потребителю области. Например, обычные пластиковые, алюминиевые и деревянные элементы могут заменяться углепластиком, который по целому ряду эксплуатационных качеств будет превосходить привычные материалы.

Заключение

Широкому распространению инновационному химволокну мешают многие факторы. Одним из самых существенных является высокая стоимость. Поскольку волокно углеродное требует задействования высокотехнологичного оборудования для изготовления, его получение может себе позволить далеко не каждая компания. Но и это не самое главное. Дело в том, что далеко не во всех сферах производители заинтересованы в столь радикальных изменениях качества продукции. Так, повышая долговечность одного элемента инфраструктуры, производитель не всегда может выполнить аналогичную модернизацию на смежных компонентах. В итоге получается дисбаланс, который сводит к нулю все достижения новых технологий.

Источник: fb.ru

Углеродные волокна (УВ) относятся к переходным формам углерода, структурные элементы которого близки к графиту.

 Способ получения волокон из углерода — неплавкого и нерастворимого вещества — подсказан впервые Элисоном и Сваном еше в 1880 г. Им удалось, нагревая органические волокна в определенных условиях, не разрушать их, а превращать в углеродные.

Механические свойства углеродных волокон в значительной степени определяются их структурой, которая, в свою очередь, зависит от условий получения (температуры термообработки, состояния исходного сырья, присутствия легирующих модификаторов, а также наличия дефектов).

Углеродные волокна, относящиеся к классу углеграфитовых материалов, в структурном отношении характеризуются рядом особенностей, отличающих от массивных материалов соответствующего химического состава.

Кроме того, структура и свойства углеродных волокон зависят как от специфической формы материала (волокно), так и от ориентированной структуры исходных полимеров, из которых они получены.

Исследованию взаимосвязи структуры и механических свойств углеродных волокон посвящено значительное количество работ, тем не менее, до сих пор нет достаточно полного представления о характере влияния тех или иных параметров структуры на прочность УВ. Все это свидетельствует о сложности строения УВ и большом числе факторов, влияющих на их прочность.

Основной структурной единицей УВ является слой графита лентообразной формы. Угловое расположение слоев может значительно изменяться при нагреве и вытяжке — ориентация углеродных слоев становится более совершенной при увеличении температуры термообработки и вытяжке. Поры в структуре длинные, тонкие, с предпочтительной ориентацией вдоль оси волокна. Объемная доля микропор увеличивается с повышением температуры и уменьшается при вытяжке УВ. Эта модель изображена на рис. 1. Существуют также и другие модели структуры углеродных волокон.

Карбоновая нить

Рис. 1. Схематичное изображение структуры углеродного волокна [1].

Разнообразие областей применения углеродных волокон обусловлено широким спектром их характеристик. Углеродным волокнам присущи экстремально высокие значения модуля упругости и прочности, химическая и термическая стойкость, низкий коэффициент линейного термического расширения, специфические трибологические свойства, повышенные (по сравнению с другими волокнами) тепло- и электропроводность и ряд других ценных свойств. Комплекс полезных характеристик углеродных волокон определяется природой исходного материала и разнообразием структурных особенностей.

Важным свойством УВ, определяющим перспективность использования подобных материалов во многих областях, является их высокая химическая стойкость по отношению к различным агрессивным реагентам.

Свойства различных углеродных волокон приведены в табл. 1-4, где γ — плотность; Тсубл — температура сублимации; Sуд— удельная поверхность; α — температурный коэффициент линейного расширения; ρ — удельное электрическое сопротивление; l — коэффициент теплопроводности; С — удельная теплоемкость.

Таблица 1. Некоторые свойства углеродных волокон.

Источник: worldofmaterials.ru


Categories: Другое

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.

Adblock
detector