Сила карбона (углепластика): раскрываем потенциал материала

Карбоновые ткани представляют собой легкие и изумительно прочные материалы, являющиеся самыми прочными среди всех известных материалов. Они обладают выдающейся прочностью на растяжение и при этом остаются легкими, что делает их отношение прочности к весу на единицу площади самым высоким.

Карбон, или углеродное волокно, состоит из углерода, который связан с другими материалами, такими как графит или аморфный углерод. Этот материал можно подвергать переработке и повторно использовать, что делает его экологически чистым и устойчивым.

Благодаря своей высокой прочности, карбоновую ткань широко используют для создания различных видов спортивных изделий. Например, её применяют при изготовлении корпусов велосипедов, рамок для скейтбордов, а также корпусов для роликовых коньков и многих других спортивных товаров.

История происхождения

История углеродных волокон насчитывает более ста лет и включает в себя ряд важных моментов:

• 1860 год: Джозеф Свон, американский изобретатель, впервые произвел углеродные волокна. Это были первые шаги к созданию этого инновационного материала.
• 1879 год: Томас Эдисон использовал хлопковые и бамбуковые нити, обработанные до состояния углеродных волокон, в одной из своих первых электрических ламп накаливания. Это стало ранним примером применения углеродных волокон в технологических устройствах.
• 1958 год: Роджер Бэкон из Огайо разработал процесс создания углеродных волокон, нагревая шелковые нити до карбонизации. Однако эти волокна содержали всего лишь 20% углерода и не обладали достаточной прочностью и жесткостью.
• Начало 1960-х годов: Ричард Миллингтон, другой американский ученый, разработал более эффективный метод производства углеродных волокон, используя вискозу как исходное сырье. Это позволило создать почти полностью (99%) углеродные волокна и открыло дорогу к более широкому применению материала.
• Конец 1960-х годов: Япония стала мировым лидером в производстве углеродных волокон. Также в это время началось использование нефтяного пека, получаемого при переработке нефти, как альтернативного источника сырья для производства углеродных волокон.

История углеродных волокон является историей научных открытий и инноваций, которые привели к созданию одного из самых уникальных и важных материалов в современной индустрии. С течением времени углеродные волокна стали неотъемлемой частью различных отраслей, включая авиацию, автомобильное производство, аэрокосмическую промышленность и многое другое.

Описание

Карбон – это многослойный композиционный материал, основанный на углеродных волокнах, которые пропитаны термореактивными полимерными смолами. Этот легкий материал обладает выдающейся прочностью и износостойкостью. Не случайно, что детали, изготовленные из карбонового волокна, считаются более жесткими и долговечными по сравнению с аналогичными деталями из алюминия.

Одной из характерных особенностей карбоновых полотен является их характерный геометрический рисунок на поверхности. Этот рисунок зависит от способа ткацкого переплетения, используемого в процессе изготовления ткани.

Как производится?

Карбон, также известный как углеродное волокно, представляет собой удивительный материал, состоящий из множества мельчайших нитей углерода с диаметром всего 0,09 мм. Не смотря на такой небольшой диаметр, прочность этих нитей сравнима с прочностью легированной стали, при этом сам материал значительно легче (по массе он сопоставим с алюминием).

Процесс создания углеродного волокна начинается с использования полиакрилонитрила – вещества, напоминающего по своим свойствам шерсть и имеющего белый цвет. Этот материал подвергается нескольким этапам нагрева в среде инертных газов. На первом этапе, при температуре около +260°C, происходит изменение структуры вещества на молекулярном уровне. Затем, при температуре около +700°C, углеродные атомы освобождаются от водорода. Этот процесс, называемый графитизацией, повторяется несколько раз, постепенно поднимая температуру до около +3000°C. В результате этих манипуляций увеличивается количество углерода, а связи между атомами становятся более прочными.

Упрощенно говоря, карбон – это углеродное волокно, превращенное в него после обильных нагревов и процесса графитизации.

Состав и свойства

Современное понятие “карбоновой ткани” охватывает широкий спектр композитных полотен, где несущая основа создана из углеволоконных материалов. Их производство включает использование различных прекурсоров, таких как полиакрилонитрил, вискоза и синтетические смолы, чаще всего эпоксидные или полиэфирные, в качестве связующих компонентов.

Тонкие углеродные нити обладают удивительной прочностью, выдерживая высокие нагрузки, но при этом они достаточно легко ломаются. Именно поэтому углеродные волокна применяются в основном в виде ткани. Внешний вид карбоновой ткани зависит от линейной плотности пряжи и используемого типа переплетения. Среди наиболее распространенных видов переплетения можно выделить саржу, атлас и полотняное переплетение. Пряжа из углеродных волокон может быть связанной или плетеной.

Карбоновая ткань отличается от других материалов рядом выдающихся характеристик:

1. Исключительной прочностью: Углеродные волокна способны выдерживать очень высокие нагрузки, делая материал идеальным для приложений, требующих высокой прочности и низкого веса.
2. Легкостью: Карбоновая ткань является одним из самых легких структурных материалов, что делает ее идеальным выбором в авиации, автомобильной промышленности и других областях, где снижение веса играет ключевую роль.
3. Стойкостью к химическим агентам: Карбоновые материалы обладают устойчивостью к большинству химических воздействий, что делает их применимыми в разнообразных условиях, а также к радиации.

Виды ткани

Карбоновое полотно может быть классифицировано на основе типа прекурсора, используемого при производстве углеродного волокна, а также по его механическим свойствам:

Классификация по типу прекурсора:

1. Полиакрилонитрил (ПАН): Этот тип углеродного волокна производится путем карбонизации синтетического волокна, который по своим свойствам близок к натуральной шерсти. ПАН-карбон обладает высокой прочностью и упругостью, и широко используется в различных сферах, включая промышленность, аэрокосмическую отрасль и производство товаров для отдыха, туризма и спорта.
2. Пек: Углеродное волокно изготавливается из пека, получаемого в результате переработки нефти. Этот тип волокна обладает сверхвысокой упругостью и применяется в различных отраслях промышленности, предоставляя более доступное сырье для производства.

Классификация по механическим свойствам:

1. Со сверхвысоким модулем упругости: Эти карбоновые материалы обладают выдающейся упругостью при растяжении, с модулем упругости от 600 ГПа и пределом прочности на разрыв от 2500 МПа.
2. С высоким модулем упругости: Углеродные волокна этой категории имеют модуль упругости от 350 до 600 ГПа, а предел прочности на разрыв составляет более 2500 МПа.
3. С промежуточным модулем упругости: Эти материалы имеют модуль упругости от 280 до 350 ГПа и предел прочности на разрыв от 3500 МПа.
4. Со стандартным модулем упругости: Карбон с модулем упругости от 200 до 280 ГПа и пределом прочности на разрыв от 2500 МПа.
5. С низким модулем упругости: Эта категория углеродных материалов обладает более низкой упругостью.

Преимущества

Карбон, также известный как углеродное волокно, представляет собой материал, который обладает уникальными преимуществами по сравнению с другими полимерными и композитными материалами:

• Легкость: Карбоновые изделия легче своих аналогов из алюминия примерно на 20%. Это делает их идеальными для создания легких и прочных конструкций.
• Устойчивость к температурным воздействиям: Карбон выдерживает как высокие, так и низкие температуры без изменения своих свойств. Это позволяет использовать его в различных климатических условиях.
• Устойчивость к биологическим воздействиям: Карбон не подвержен воздействию плесени и гнили, что делает его долговечным и подходящим для использования в экстремальных условиях.
• Гидрофобность: Карбоновые материалы не впитывают воду, что делает их устойчивыми к воздействию влаги и обеспечивает долгий срок службы.
• Стойкость к химическим агентам: Материал устойчив к воздействию большинства химических веществ, включая растворители, поверхностно-активные вещества, очистители, и другие агрессивные среды.
• Устойчивость к коррозии: Карбон не подвержен коррозии, что делает его идеальным для замены металлических изделий в агрессивных средах.
• Упругость: Углеродные волокна обладают выдающейся упругостью, что позволяет создавать спортивное оборудование, такое как луки, клюшки для хоккея, удочки и ракетки, обеспечивая высокие показатели производительности.

Недостатки

Несмотря на множество преимуществ, у карбоновых материалов есть некоторые недостатки, которые следует учитывать:

• Сниженная устойчивость к ударным нагрузкам: Карбоновые материалы отличаются невысокой стойкостью к ударным воздействиям. Это связано с особенностями структуры углеродных нитей, которые обладают сильными связями в осевом направлении, но более слабыми связями в перпендикулярном направлении. Это делает нити уязвимыми для разрыва.
• Ограничение по деформации: Средний предел деформации углепластика до начала структурных нарушений составляет всего 0,5%. Это означает, что при превышении этого предела могут появиться микротрещины, что может снизить ресурс изделия. Важно строго соблюдать допустимые нагрузки и условия эксплуатации.
• Вариабельность свойств: Свойства карбоновых материалов сильно зависят от используемой ткани, типа полимеров и смол. Углеродные материалы разных производителей могут значительно различаться по упругости, атмосферной и химической стойкости, прочности и другим характеристикам.
• Зависимость от условий производства: Важную роль играют условия производства карбоновых материалов и изделий из них. Соблюдение температурного режима, чистоты сырья, усилия прессования и выдержка временных интервалов между этапами формирования ткани и готового изделия могут существенно влиять на конечные характеристики материала.

Несмотря на эти ограничения, карбоновые материалы остаются весьма привлекательными благодаря своей уникальной комбинации свойств. Эффективное использование карбоновых материалов требует правильного проектирования, расчетов и соблюдения рекомендаций по эксплуатации, чтобы извлечь максимальную пользу из их преимуществ и минимизировать недостатки.

Сфера применения

Сфера применения карбоновых материалов охватывает различные отрасли и области, благодаря их уникальным свойствам и возможностям. В таблице ниже представлены несколько ключевых сфер, где карбон нашел широкое применение:

Сфера применения	Описание
Авиация и космос	Исходно разработанный для авиации и космонавтики, карбон широко используется в производстве легких и прочных компонентов для самолетов, ракет и космических аппаратов. Его низкая масса при высокой прочности делает его незаменимым материалом для этой отрасли.
Спортивный инвентарь	Карбоновые материалы широко применяются в производстве спортивного снаряжения и снарядов. Они используются для создания высокопроизводительных велосипедов, теннисных ракеток, гольф-клюшек, а также снаряжения для зимних видов спорта.
Автомобильная индустрия	В автомобильной промышленности карбон применяется для снижения веса автомобилей и увеличения топливной эффективности. Карбоновые компоненты, такие как кузовные панели и детали подвески, способствуют улучшению производительности и экономии топлива.
Строительство	В строительстве карбоновые материалы используются для укрепления бетонных конструкций и создания устойчивых к разрушениям мостов и зданий. Они обеспечивают долговечность и надежность инфраструктуры.
Потребительские товары	Карбоновые изделия также находят свое применение в производстве высококачественных потребительских товаров, таких как чехлы для смартфонов, ноутбуков и других гаджетов, а также аксессуары для дома.
Судостроение	В судостроении карбон используется для создания легких и прочных корпусов судов и яхт, что способствует повышению их маневренности и эффективности.
Электроника	Карбоновые компоненты также применяются в электронной индустрии, включая изготовление корпусов и рамок для различных электронных устройств.

Сфера применения карбоновых материалов постоянно расширяется благодаря усовершенствованию технологий и созданию новых полимеров. Его уникальные характеристики делают его важным компонентом в современном производстве и инновационных технологиях.

 

Стоимость материала

Стоимость углеродной ткани в оптовых количествах варьируется от приблизительно 70 до 1,600 рублей за погонный метр. Это ценовой диапазон, который зависит от различных факторов, включая тип углеродной ткани, её характеристики и производителя.

Техника безопасности по работе с карбоном

Техника безопасности при работе с карбоном очень важна для предотвращения возможных рисков и обеспечения безопасной обработки материала. Вот некоторые основные меры предосторожности при работе с карбоновыми материалами:

1. При работе с карбоном всегда носите защитные перчатки и одежду с длинными рукавами. Это поможет избежать контакта карбоновых волокон с кожей, что может вызвать раздражение.
2. При резке или шлифовке карбоновых материалов используйте средства защиты органов дыхания, такие как маска или респиратор. Карбоновая пыль может быть вредной при вдыхании.
3. Убедитесь, что карбоновая ткань хранится в рулонах, а не сложена, чтобы избежать нарушения конструкционной целостности материала. Храните ткань в чистоте, чтобы избежать загрязнения пылью и жирными отпечатками.
4. При смешивании карбоновой ткани со смолой используйте небольшие емкости и избегайте использования емкостей, покрытых воском, так как воск может вызвать нежелательные реакции с смолой.
5. Если храните большие количества смолы, убедитесь, что излишки смолы хранятся вне зоны, где находятся горючие материалы. Экзотермическая реакция при затвердевании смолы может вызвать нагревание и повышение температуры вокруг.

Особенности ухода за углетканью

Уход за углетканью требует внимания к деталям и соблюдения нескольких важных правил, чтобы сохранить ее качество и привлекательный внешний вид на долгое время.

1. Важно регулярно осматривать углеткань на наличие мелких царапин и сколов. Влага и пыль, попадшие в эти повреждения, могут привести к деформации волокна. Если вы заметили какие-либо повреждения, рекомендуется немедленно их устранить.
2. Углеродные материалы чувствительны к ультрафиолетовому излучению. Если ткань постоянно находится на солнце, рекомендуется покрыть ее специальным лаком, который защитит ее от вредного воздействия ультрафиолета.
3. Углеродное полотно можно стирать любым мягким моющим средством или мылом при температуре воды от 40 до 60 градусов. Рекомендуется проводить стирку в течение 1-1,5 часов. Химчистка также допустима для ухода за углетканью.
4. После стирки ткань следует сушить в тени или вытирать насухо. Идеальная влажность для хранения карбоновой ткани составляет от 40% до 80%. Не рекомендуется длительное хранение при минусовой температуре.
5. Не стирайте углеткань с другими видами тканей, чтобы избежать возможного повреждения и контаминации.
6. Не подвергайте углеродное полотно отжиму и глажке, так как это может повредить структуру волокон.

Выводы

1. Карбон обладает высочайшей прочностью и легкостью, что делает его незаменимым в таких отраслях, как авиация, космонавтика и автомобилестроение. Его применение позволяет снижать вес конструкций, повышать производительность и увеличивать топливную эффективность.
2. Материал находит применение не только в высокотехнологичных отраслях, но и в производстве спортивного снаряжения, строительстве, судостроении, электронике и потребительских товарах. Его уникальные свойства открывают двери для широкого спектра инноваций и новых возможностей.
3. Карбон устойчив к воздействию влаги, химических веществ, ультрафиолетовых лучей и высоких и низких температур. Эта устойчивость делает его надежным материалом даже в экстремальных условиях.
4. Возможность перерабатывать и повторно использовать углеродное волокно делает его экологически чистым материалом, способствуя уменьшению экологического следа в производстве и потреблении.
5. Карбоновые материалы только начинают раскрывать свой потенциал, и область их применения постоянно расширяется. Повышение доступности и развитие технологий производства углеродных волокон обещают новые инновации и возможности в различных отраслях промышленности и дизайна.