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.
Рис. 1. Схематичное изображение структуры углеродного волокна .
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; Т субл - температура сублимации; S уд - удельная поверхность; α - температурный коэффициент линейного расширения; ρ - удельное электрическое сопротивление; l - коэффициент теплопроводности; С - удельная теплоемкость.
Таблица 1. Некоторые свойства углеродных волокон.
| Углеродное волокно |
γ , г/см 3 |
Т субл, |
S уд , м 2 / г |
α × 10 -6 , К - 1 |
ρ × 10 -5 , Ом × м |
l
, Вт/(м × К) |
кДж / (кг × К) |
| Карбонизо-ванное | 1,4-1,8 | 3873 | 1-1000 | 1,5 | 1-70 | 0 , 8-1 , 6 | 0 , 8 |
| Графитиро-ванное | 1,8-2,15 | 3873 | 0,15-3 | -1,5-2,5 | 0 , 3-1 | 1,7- 2,0 | 0 , 6 |
Таблица 2. Углеродные волокна, выпускаемые ведущими зарубежными фирмами
| Фирма | Марка | σ , МПа |
ГПа |
γ , г/см 3 |
Сырьё |
| Геркулес Инкорпорейшн графит Фиберз Бизнес Сентер |
Геркулес
AS 6 IM 6 НМ |
4137 |
243 |
1,83 1,83 1,84 |
ПАН |
| Юнион Карбид Корпорейшн |
Торнел Т-300 Т-500 Т-700 Р-75 Р-100 |
3200 |
228 |
1,70 |
ПАН |
| Торей Индастриз Инкорпорейшн |
Торейка Т300 Т800 Т1000 М40 М50 М60 |
3500 |
235 |
1,76 |
ПАН |
| Тохо |
Бесфайт ST -3 НМ-40 НМ-45 3М-500 |
4400 |
240 |
1,77 |
ПАН |
| Ниппон Карбон | Карбалон
3-2000 3-4500 |
3260 |
1,77 |
ПАН |
|
| Мицубиси Рейэн | Пирофил
М-1 Т-1 |
2600 |
360 |
1,85 |
ПАН |
| Селанез Плэитикс энд Спешитиз Компани |
Целион
GY-70 6К |
1900 |
530 |
1,90 |
ПАН |
Таблица 3. Некоторые виды углеволокнистых материалов, разработанных в России .
| Марка | σ , МПа | Е, ГПа | γ , г/смЗ |
| Теплозащитные | |||
| Тесьма | |||
| Урал-15 | 1800 | 70 | 1.65 |
| Урал-24 | 1500 | 90 | 1.71 |
| Нить | |||
| Урал-Н-15 | 1800 | 70 | 1.65 |
| Урвл-Н-24 | 1500 | 90 | 1.71 |
|
Ткань, тканная лента |
|||
| УУТ-2 | 130 | 20 | |
| УТМ-8 | 50 | 30 | |
| Урал-Т | 150 | 30 | |
| Лента Урал-Т-24 | 130 | 60 | |
| Лагта Урал-ТМ-24 | 300 | 60 | |
| Лента Урал-ТС/4-24 | 200 | 60 | |
| С дополнительным покрытием |
Вид покрытия | ||
| Урал-ПУ | 160 | Пироуглерод, 12% | |
| Урал-ТК | 160 | Карбил кремния, 7 % | |
| ТМП-3 | 50 | Пироуглерод, 10% | |
| ТКК-2 | 80 | Карбид кремния, 3 % | |
| Конструкционные нити | |||
| УКН-5000 | 3300 | 230 | 1.72 |
| УКН-5000П | 3400 | 240 | 1.73 |
| УКН-П-0,1 | 3700 | 230 | 1.74 |
| УКН-2500П | 3400 | 240 | 1.73 |
| Конструкционные нити | |||
| УКН В-400 | 4300 | 240 | 1.75 |
| ВМН-4 | 2800 | 240 | 1.75 |
| Гранит 300 | 3000 | 300 | 1.80 |
| Гранит 40П-0,1 | 3700 | 400 | 1,82 |
| Кулон-Н | 3500 | 560 | 1,92 |
| Лента | |||
| ЛУП-01 | 2700 | 260 | 1.70 |
| ЛУП-02 | 2700 | 260 | 1.70 |
| Элур-01 | 2900 | 235 | 1.69 |
| Элур-0,08 | 3000 | 235 | 1.70 |
| ЛУП-24 | 2750 | 330 | 1.80 |
| Кулон | 2750 | 420 | 1.87 |
Таблица 4. Углеродные волокна специального назначения S уд , м 2 / г
активные
Обозначения в таблице:
ρ - удельное электрическое сопротивление; к.и. – кислородный индекс; S уд - удельная поверхность.
Литература:
- Мелешко А.И., Половников С.П. Углерод, углеродные волокна, углеродные композиты - М.: «САЙНС-ПРЕСС», 2007. - 192 с.
Двадцать первый век пестрит инновациями, и строительная сфера тому не исключение.
Один из новейших и набирающих популярность материалов - углеродное (карбоновое) волокно - занял достойное место, частично вытеснив стеклохолст и подобные ему армирующие материалы.Углеродная ткань: характеристики и особенности
Говоря строго, углеродное волокно не является изобретением нашего столетия. Его уже давно используют в авиа- и ракетостроении, обывателю же этот материал знаком в виде углепластиковых удочек и кевлара. Пройдя долгий этап освоения и совершенствования технологии, индустрия, наконец, стала готова обеспечивать углеродной тканью другие отрасли, в том числе и строительную.
Главная особенность углеродных нитей - высокий показатель удельной прочности на растяжение по отношению к собственному весу. Изделия, армированные углепластиком, сохраняют наивысшее из известных сопротивление на разрыв, при этом по материалоёмкости и общему весу они гораздо выгоднее распространённой на сегодняшний день стали.
В исходном виде углеволокно представляет собой тонкую микрофибру, которая может быть сплетена в нити, из которых, в свою очередь, может быть выткан холст любых размеров. За счёт правильной ориентации молекул, их прочной связи и достигается столь высокая прочность. В остальном волокна просто выполняют функцию армирования при любом типе конструктивного наполнителя, от эпоксидных смол до бетона.
Одна из наиболее выраженных особенностей углеволокна - его высокая сорбирующая способность. Выгода от применения карбона для укрепления элементов внутренней отделки состоит в том, что углерод не позволяет естественным примесям, красителям или растворителям проникать в воздушную среду жилых помещений. В то же время сорбционные процессы протекают абсолютно безвредно для самого волокна.
Преимущества использования
В общем и целом для строительства интересны два свойства углеволокна. Первое - структурное разностороннее укрепление - используется для придания материалу повышенной твёрдости и прочности на сжатие. Армирование структуры выполняется фиброй толщиной 5–10 мкм при различной длине волокон. Имеет смысл структурно укреплять отделочные поверхности и несущую конструкцию зданий.
Вторая цель карбоновых волокон в строительной отрасли - закладное армирование - выполняется дополнительно переработанной первичной фиброй, принимающей вид холста, ровинга, нитей, канатов и укреплённых полимерными смолами стержней. В этом случае карбоновое волокно не укрепляет сам заполнитель в целом, но служит надёжной нервущейся основой для него.
Но в чём выгода карбоновых волокон, и почему их следует предпочесть менее экзотичным материалам? Начнём с того, что по физико-химическим свойствам ближайший конкурент углеволокна - фибра стеклянная, которая достаточно широко распространена в виде стеклохолста для внутренних штукатурных работ. Однако стекло имеет гораздо более низкое сопротивление разрыву и больший вес, в то время как углеродный полимер не только прочен, но и гораздо лучше сцепляется с окружающим его твёрдым материалом за счёт высокой собственной адгезии.
Облицовка и структура, укреплённые таким образом, отличаются также увеличенной прочностью на сдвиг и скручивание, что для стали, стекла и других синтетических материалов всегда было существенной проблемой.
Однако не обходится без сложностей. В частности, при внутренней отделке зданий ставится вопрос о пожарной безопасности углеволокна. В присутствии кислорода оно выгорает уже при температурах около 350–400 °С, однако будучи «законсервированным» в безвоздушной среде, карбон сохраняет свои свойства даже при нагреве выше 1700 °C. Более высокую жаростойкость гарантирует фибра и её производные, покрытые разного рода карбидами - это надо учитывать при выборе материала для отделочных работ.
Применение в отделочных работах
Широкий ряд материалов декоративной отделки требует основания, абсолютно не подверженного образованию трещин. Сюда относится акриловая покраска, полимерные покрытия для пола, венецианская штукатурка и другие тонкие и хрупкие составы.
Если для фальшстен из ГКЛ эта проблема не стоит особенно остро, то иные материалы за счёт более выраженного линейного расширения требуют особого подхода. Для примера возьмём укрепление и изоляцию стыков однослойной обшивки, выполненной из ОСП. Практически любая шпаклёвка или клей раскрошится прямо внутри шва за год-два.
Такие стыки следует заполнять прочным полимерным клеем, а затем накрывать прилегающие края на 25–30 мм лентой из тонких карбоновых нитей и снова покрыть слоем наполнителя, тщательно разгладив заделку шпателем.
Подобная обработка в большинстве случаев не требует последующего выравнивания поверхности. Обшивка принимает монолитную прочность, а возникающие структурные перенапряжения полностью компенсируются свойствами ОСП.
Подобный принцип может применяться и при финишном выравнивании оштукатуренных стен акриловой шпаклёвкой. В этом случае углеткань - бесспорный лидер в вопросах придания ударопрочности и стойкости к трещинообразованию. Монтаж выполняется по аналогии со стеклохолстом:
- Сперва тонкая сплошная обмазка поверхности.
- Затем укладка полотна и его разглаживание.
- После чего можно сразу же приступать к финишному выравниванию.
Холст никак себя не проявляет на внешнем виде готовой поверхности ни до высыхания состава, ни после.
Использование углеродной фибры
Повышение прочности несущих элементов зданий, отлитых по месту или фабрично, возможно за счёт добавления углеволокна в жидкий состав наполнителя. Фибру из карбона уже сейчас можно приобрести в достаточно больших количествах, что позволит уменьшить толщину стен, колонн и прочих элементов бетонной конструкции, испытывающих вертикально-осевую нагрузку на сжатие. За счёт этого освобождается достаточно много пространства для структурной изоляции или утепления конструкций.
Особенно интересен этот материал будет для любителей свайно-ростверковых фундаментов, где работа карбоновой пряжи полностью наглядна. Столб, сохраняющий прочность на сжатие в 12–15 т с учётом всех рекомендуемых запасов надёжности, имеет толщину около 80 мм. Внутри него всего две нитки полимерной арматуры, а по двум другим сторонам уложены пряди углеродного ровинга.
Много ли требуется углеволокна для армирования бетона? Отнюдь, всего 0,05–0,12 % от массы готового ЖБИ. Концентрация может быть и выше, если речь идёт, например, о гидротехнических сооружениях или о бетонных фермах перекрытий.
Системы внешнего армирования
Структура, укреплённая карбоновым волокном, настолько прочна, что может применяться даже в качестве опоясывающего армирования для элементов сильно нагруженных конструкций. Начиная от высотного домостроения и заканчивая каркасными сборными конструкциями, внешний пояс армирования предоставляет небывалую устойчивость к эксплуатационным перегрузкам.
Суть в том, что сам сердечник элемента, содержащий закладную арматуру, отливается как обычно, но при минимальном защитном слое бетона по сторонам. После снятия опалубки изделие, будь то колонна или армирующий пояс, обматывается слоем углеродного полотна или толстой нитью, а затем заливается пескобетоном с содержанием фибры. Такой подход избавляет от нужды использовать тяжёлый гранитный бетон при полном наследовании его прочностных характеристик. Более того, даже минимальный слой укреплённого углеродом бетона существенно снижает корродирование закладной арматуры.
Частным случаем наружного армирования можно назвать оклеивание узлов соединений лоскутами или лентой из углеволокна, углеродной тканью с сопутствующей пропиткой эпоксидными смолами. Такое соединение демонстрирует втрое более высокую прочность, чем обычное, что неоценимо для стропильных систем и в особенности крепления ферм к мауэрлату.
Углеродное волокно
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.
История
Впервые получение и применение углеродных волокон (УВ) (точнее, нитей) было предложено и запатентовано известным американским изобретателем - Томасом 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 гидратцеллюлозных (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 СССР 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.
Получение
Рис. 1. Структуры, образующиеся при окислении ПАН-волокна
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 °C, 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 УВ 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 , ровинг , 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®, ITECWRAP®.
- 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.
До 2007 г. в СНГ углеродные волокна производились на двух предприятиях: «Аргон» (г. Балаково, Россия) - производство на основе ПАН (полиакрилонитрила) и РУП «Светлогорское ПО Химволокно» - производство на основе вискозы. Оба предприятия обладают собственными мощностями по производству прекурсора . Предприятие в Беларуси - крупнейший мировой производитель углеволокна из вискозы . Существовавшие во времена СССР в г. Бровары (под Киевом, Украина), г. Запорожье (Украина) г. С.-Петербурге (НПО «Химволокно»), г. Шуе (Россия) утрачены.
В настоящее время в России углеволокнистые материалы производятся ОАО "НПК «Химпроминжиниринг» (входит в структуру Росатома) , ФГУП НИИграфит , НПЦ «УВИКОМ» , ООО "НИИ ВСУ "ИНТЕР/ТЭК" .
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 ГПа и модуль 20-70 ГПа, а подвергнутые ориентационной вытяжке - прочность 2,5-3,5 ГПа и модуль 200-450 ГПа. Благодаря низкой плотности (1,7-1,9 г/см³) по удельному значению (отношение прочности и модуля к плотности) механических свойств лучшие УВ превосходят все известные жаростойкие волокнистые материалы. Удельная прочность УВ уступает удельной прочности стекловолокна и арамидных волокон. 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.
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 различных производителей, в том числе таких компаний как «Боинг » и «Эрбас » (до 30 тонн на одно изделие). По причине резко возросшего спроса в 2004-2006 гг. на рынке наблюдался большой дефицит волокна, что привело к его резкому подорожанию.
Из УВМ изготавливают электроды, термопары, экраны, поглощающие электромагнитное излучение, изделия для электро- и радиотехники. На основе УВ получают жесткие и гибкие электронагреватели, в том числе ставшие популярными т. н. «карбоновые нагреватели», обогреваемую одежду и обувь. Углеродный войлок - единственно возможная термоизоляция в вакуумных печах, работающих при температуре 1100 °C 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 при боевых действиях в Афганистане . В настоящее время широко применяются углеродные сорбирующие салфетки "Сорусал" и "Легиус". 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 CO 2 , SO 2 до SO 3 и др.). Широко применяется при изготовлении деталей кузова в автоспорте, а также в производстве спортивного инвентаря (клюшки, вёсла, лыжи, велосипедные запчасти, обувь) и т. д.
Ссылки
- С. Симамура. Углеродные волокна. М.: «Мир», 1987.
- Конкин А. А., Углеродные и другие жаростойкие волокнистые материалы, М., 1974.
- СТО 73645443-03-2010 Система высокопрочного усиления железобетонных конструкций ITECWRAP®/ITECRESIN®, Е., 2011.
См.также
Примечания
| Волокна | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| Природные (натуральные) |
| ||||
А вот если на удар - то карбон хрупок, ударная вязкось всего 35-40 Дж/г, даже у стеклопластиков выше.. . А у кевлара - 78
Правда сейчас появились разработки углепластиков, армированных нанотрубками, вот они - прочнее всего на удар, вязкость до 870 Дж/г (!!) Если, конечно, разработчики не врут.
Полимерные композиционные материалы из переплетённых нитей углеродного волокна, расположенных в матрице из полимерных (например, эпоксидных) смол. Плотность - от 1450 кг/м³ до 2000 кг/м³.
Материалы отличаются высокой прочностью, жёсткостью и малой массой, часто прочнее стали, но гораздо легче (по удельным характеристикам превосходит высокопрочную сталь, например 25ХГСА).
Вследствие дороговизны (при экономии средств и отсутствии необходимости получения максимальных характеристик) этот материал обычно применяют в качестве усиливающих дополнений в основном материале конструкции.
О КАРБОНЕ
Никакие материалы не идут в сравнение, когда речь заходит о элементах, состоящих из карбона. Слои карбона могут собираться двумя способами: мокрым способом (самый распространенный) и сухим (более сложный процесс).
Сухой карбон.
Это лучшее из лучшего, признаком чего, является и его высокая стоимость. Сухой карбон очень легкий и чрезвычайно прочный. Будьте готовы заплатить около $3-4 тыс. за капот из такого материала.
Мокрый карбон.
Материал достаточно хороший, но не лучший. Он тяжелее Сухого карбона, и не такой прочный. Стоимость капота из этого материала начинается от 1500$ .
Их отличие - при проведении рукой по сухому чувствуется его ребристая структура (если он не покрыт лаком), а мокрый карбон совсем гладкий на ощупь.
Волокна черного цвета, состоящие из множества нитей толщиной от 0,005 до 0,010 мм сплетенных в ткани из которых можно изготовить различные формы, с очень высокими прочностными техническими характеристиками. Сами по себе ткани не используются, а используются, как исходное сырье пропитанное эпоксидной смолой, с последующим застыванием образуют очень прочный и легкий материал. Прочность некоторых углепластиков выше высокопрочной стали сорта 25ХГСА но значительно меньше ее по весу. удельный вес готового углепластика 1.5 - 2 килограмма на квадратный дециметр - у стали 8 кг на квадратный дециметр. Разница масс в 4 - 6 раз.
Прочность карбона в основном зависит от качества применяемой эпоксидной смолы. Самые лучшие углеткани продаются уже пропитанными смолой, остается только уложить их в форму и отправить в автоклав для застывания.
Изготовление формы: Чтобы изготовить простейшую матрицу необходимо иметь готовый по форме образец бампера, капота либо любой другой детали изготовленных из любого материала, либо используя готовый заводской образец. Для избежания прочного склеивания образца с будущей матрицой, ее необходимо промазать слоем разделителя. В качестве разделителя может служить мыло, эдельвакс, воск растворенный в бензине, Циатим-221, кремнеорганические смазки. В качестве основы для матрицы, можно использовать монтажную пену, гипс, а также композитные материалы. Если матрица выполняется из композитных материалов, то самым дешевым ее источником является стекловолокно пропитанное обычной эпоксидной смолой. Если матрица имеет сложную форму, то ее приходится делать разъемной, в одном или нескольких местах. Места разъема должны быть зафиксированы и иметь точную позицию друг относительно друга. Лучше всего подходит штифтовое позициолнирование с последующим скреплением болтами.
Все монококи самых современных суперкаров и формулы один, выполняются с использованием углеродного волокна, для большей прочности в конструкцию добавляют титановые и сотовые структуры. Именно из за карбоновой конструкции эти автомобили так дороги. Мало того, что сам материал не дешев, так еще и все производство происходит практически полностью в ручном режиме.
Стоимость углеродного волокна очень высока и детали получаемые с помощью нее соответственно тоже. Цена за углеткань начинается от 5000 руб за 1 кг или 5 метров квадратных, при толщине 0.25 мм. Некоторые американские истребители и бомбардировщики тоже делают из карбона и стоимость бомбардировщика B2 например: составляет более 2 миллиардов долларов!!!
В домашних условиях изготовить такой же прочный карбон как и в заводских, скорей всего не получится, так как для качественного формования крупных деталей, понадобиться большой вакуумный автоклав, позволяющий формовать в вакууме и при заданной иногда немалой температуре, более 150 градусов.
Эпоксидные смолы застывающие при комнатных температурах не обладают и половиной той прочности, нежели полимеризованные с заданной картой температур, в условиях вакуумного автоклава.
Небольшойсписоккомпанийпроизводящихcarbon:
Toray
Nippon Graphite Fiber Corporation
FORMAX
Porcher Industries
Seal SpA
SGL Group
Mapei
Zoltek
Saertex
Ballar
Hexcel Corporation
Taiwan Electric Insulator
A&P Technology
FTS SpA
Epotech
Zyvex Technologies
Isovolta AG
Применение
Углепластики широко используются при изготовлении лёгких, но прочных деталей, заменяя собой металлы, во многих изделиях от частей космических кораблей до удочек, среди которых:
· ракетно-космическая техника;
· авиатехника (самолётостроение, вертолётостроение (например, несущие винты));
· судостроение (корабли, спортивное судостроение);
· автомобилестроение (спортивные автомобили (например, бамперы, пороги, двери, крышки капотов), мотоциклы, прототипы MotoGP, болиды Формулы 1 (кокпиты и обтекатели), а также при оформлении салонов;
· наука и исследования;
· усиление железобетонных конструкций;
· спортивный инвентарь (роликовые коньки, велосипеды, футбольные бутсы, хоккейные клюшки, лыжи, лыжные палки и ботинки, ракетки для тенниса, основания для настольного тенниса, лезвия коньков, стрелы, оборудование виндсерфинга, моноласты), вёсла;
· медицинская техника;
· протезостроение
· рыболовные снасти (удилища);
· профессиональные фото- и видеоштативы;
· бытовая техника (отделка корпусов телефонов, ноутбуков, рукояти складных ножей и пр.);
· моделизм;
· музыкальные инструменты (струны);
· изготовление индивидуальных супинаторов (особенно для спорта);
· инструменты рукоделия (вязальные спицы);
· карбон слабо поглощает рентгеновское излучение, поэтому из него изготавливают окошки рентгеновских и широкодиапазонных гамма-детекторов (через которые излучение проникает в детектор).
Преимущество карбона перед другими материалами связанно с его выдающимися свойствами. В первую очередь это малый вес и вместе с тем потрясающая прочность, так же высокая стабильность и отличная сопротивляемость усталости. Сочетание всех этих достоинств в одном материале и делает его уникальным и незаменимым во многих отраслях.
Чтобы лучше понять, как один материал может обладать таким количеством замечательных свойств, необходимо знать, что такое карбон из чего и как его получают.
Карбон, он же углепластик, он же графит – чаще всего под этим термином подразумевают изделие, сделанное из композитного материала с применением углеволокна.
Композит подразумевает сочетание двух и более компонентов с разными свойствами. Например, папье-маше (волокна бумаги и клей), древесина (волокна целлюлозы и лигнин), армированные пластики (полимер и усиливающий материал), железобетон (металлический каркас и бетон).
Сами по себе компоненты этих материалов не обладают какими-то уникальными прочностными характеристиками, но выступая в союзе, придают материалу новые свойства, где лучшие стороны одного материала дополняют лучшие стороны другого. Композитами можно считать практически все структуры, все ткани организмов растительного и животного мира. Поэтому, можно смело утверждать, что все самые совершенные материалы являются композиционными.
Плетение ткани, в свою очередь, может иметь много видов. Распространенными являются: плейн (plain) – полотняное, простое, плетение; твил (twill) – саржевое, диагональное плетение (елочка); сатин (satin) – гладкая, блестящая лицевая поверхность, на которой преобладают уточные нити.
Говоря об углепластике нельзя не затронуть следующее важнейшее преимущество перед другими материалами – анизотропность. В отличие от металлов, которые обладают изотропностью (т.е. независимостью свойств от направления), углеволокна имеют выраженную анизотропию, т.е. четкую зависимость своих физических свойств от направления. Это уникальное свойство можно использовать для придания конструкции требуемых характеристик. Используя ориентацию волокон в изделии при создании, например, велосипедной рамы из карбона, инженер может увеличить торсионную жесткость при этом сделать ее упругой и податливой к продольным нагрузкам. Это свойство позволит раме лучше гасить удары.
Кроме того, в отличие от металлов углепластик не ограничен свободой при выборе формы изделий. Если в металлической конструкции сложность формы ограничивается изгибами и соединениями (которые неизбежно снижают прочность и являются концентраторами нагрузки), то изделие из карбона может формоваться как единое целое, не зависимо от сложности конструкции. Это позволяет избежать появления слабых мест – концентраторов нагрузок, т.к. нагрузка распределяется по всей площади.
Также можно отметить отличные демпфирующие и фрикционные свойства углепластика. Благодаря последним, карбон все чаще используется в производстве сцеплений и тормозных механизмов hi-end класса.
Сочетание вышеперечисленных качеств делает этот удивительный материал незаменимым во многих отраслях. Не зря за последние десятилетия ассортимент изделий из карбона многократно вырос. Сегодня такие высокотехнологичные отрасли как космонавтика, авиация, профессиональный спорт невозможно представить без этого уникального, незаменимого, красивого материала. Материала настоящего и будущего – углепластика.
Из-за волокнистой природы этого материала, он имеет намного более явное "зерно" чем металл. Хорошо разработанная карбоновая рама может иметь структуру, выстроенную таким способом, чтобы обеспечить максимальную прочность в направлениях максимальных напряжений.
Недостаток
При производстве углепластиков необходимо очень строго выдерживать технологические параметры, при нарушении которых прочностные свойства изделий резко снижаются. Необходимы сложные и дорогостоящие меры контроля качества изделий (в том числе, ультразвуковая дефектоскопия, рентгеновская, токовихревая, оптическая голография и даже акустический контроль).
Другим серьёзным недостатком углепластиков является их низкая стойкость по отношению к ударным нагрузкам. Повреждения конструкций при ударах посторонними предметами (даже при падении инструмента на неё) в виде внутренних трещин и расслоений могут быть невидимы глазу, но приводят к снижению прочности; разрушение повреждённой ударами конструкции может произойти уже при относительной деформации, равной 0,5 %.
К сожалению, в велосипедных применениях, углеволокно - не полностью отработанная технология, как металлические рамы, состоящие из труб. Велосипеды подвергаются очень широкому диапазону различных напряжений с многих различных направлений. Даже с моделированием на компьютере, нагрузки не могут быть полностью предсказаны заранее. Углеволокно имеет большой потенциал, но современные карбоновые рамы не демонстрируют уровень надежности и долговечности, которые желательны для туристического использования в тяжелых условиях. В частности, слабыми точками являются области, где металлические части, типа концов вилок, оболочки каретки, рулевой колонки, и т. д. соединяются с карбоновой рамой. Эти области могут быть ослаблены в плане коррозии через какое-то время, и привести к поломке.
В геометрии, нет ничего столь же прочного, как треугольник. Велосипеды с "ромбовидной" рамой состоят, в общем, из двух треугольников. Элегантность и простота этого решения неоспорима. Миллиарды велосипедов с "ромбовидной" рамой были сделаны из труб более чем за столетие, и в течение этого времени, сотни тысяч очень умных людей потратили миллиарды часов поездок и думали относительно путей к более тонкой "настройке" их велосипедов. Трубчатая ромбовидная рама была четко "настроена" эволюционным процессом к совершенству, применяемым основным пропорциям и материалам.
Стеклоуглеволокно (стекловолокно с добавлением карбона)
Это - дешевый материал. Вы получаете или самодельное стекловолокно (смесь распыленного стекловолокна) как наполнитель, или тонкий слой углеродистой ткани «ради вида». Это лучшее, что можно ожидать от такого материала, по причине того, что люди жалеют вкладывать деньги в качественные материалы. Капот такого плана можно приобрести менее, чем за 1000$ (на аукционах типа ebay).
Карбон,титан или алюминий?
Попробуем взглянуть на выбор велосипедной рамы немного с другой стороны, нежели цена. То есть, рассмотреть материал для ее изготовления, основываясь на физических и прочностных характеристиках материалов.
Для этого обратимся к некоторым терминам и определениям физики твердого тела, а именно теории упругости.
Правильный выбор материала является сложной задачей, однозначное решение которой позволяет оптимизировать технологию изготовления, повысить долговечность конструкции в целом. Сейчас для производства велосипедных рам класса hi- end используются только три конструкционных материала: алюминий, титан и карбон. Первые два – это металлические сплавы, а последний - композиционный материал на основе углеволокна и эпоксидного связующего.
Основной механической характеристикой конструкционного материала является предел прочности. Это отношение значения растягивающей силы непосредственно перед разрывом к наименьшей площади поперечного сечения образца в месте разрыва. Для карбона (на основе углеволокна Т700) эта величина порядка 1500 МПа, для титанового сплава (3 Al/2.5 V) порядка 800 МПа, для алюминия (6061) порядка 60 МПа. В скобках приведены марки, наиболее часто используемые в велосипедной индустрии.
Следующая важная характеристика – предел текучести, напряжение при котором начинает возникать пластическая деформация, другими словами, при разгрузке от которого возникает остаточная деформация заданной величины. Для карбона такие данные не приводятся, для титана порядка 300 МПа, для алюминия порядка 20 МПа.
Ну и в завершение насколько слов о плотности. Чем меньше плотность, тем легче материал. Плотность карбона около 2 г/см3, титана 4,5 г/см3, алюминия 2,7 г/см3.
Из вышесказанного следует, что у каждого материала есть свои сильные и слабые стороны. Однако, для велосипедной специфики нельзя выделить какое то одно определяющее свойство материала. Например, при лучших прочностных/весовых характеристиках, карбон очень хрупкий и боится ударов и царапин. Алюминий легкий, но пластичный и с низкими прочностными свойствами. Титан прочный и упругий, но сравнительно тяжелый.
Истинная картина проясняется, если рассмотреть свойства каждого материала в целом. Тогда бесспорным лидером становится титан. Это обьяснимо.
Причиной разрушения велосипедной рамы являются не чрезмерные нагрузки, а накопление в процессе эксплуатации изделия мелких внутренних повреждений (которые принято называть трещинками или дислокациями), спровоцированное периодическим влиянием внешних сил (напряженного состояния). Определяющей характеристикой металла, так или иначе реагировать на напряженное состояние, является пластичность.
Пластичность металла есть функция его состояния, зависящая от внешних и внутренних факторов, которая выражается в способности твердых тел необратимо менять свою форму без разрушения под действием приложенных сил. Другими словами, существует некоторая максимальная величина нагрузки, при достижении которой происходит разрыв межмолекулярных связей кристаллической решетки металла, что ведет к образованию внутренних дефектов структуры, которые не могут исчезнуть, а могут только накапливаться. Анализ показал, что у большинства конструкционных металлов наиболее типичным является разрушение, которое начинает развиваться задолго до достижения такой максимальной нагрузки. Виной тому циклические нагрузки. При этом пластические деформации и разрушение оказываются связанными настолько тесно, что их можно рассматривать как единый процесс с общей энергией активации.
Установлено, что разрушению материала от усталости (при циклических нагрузках) предшествует накопление локальных микросдвигов и, следовательно, появление пластических деформаций, исчерпание которых приводит к местным разрушениям.
Всё это говорит о том, что пластичные металлы более подвержены накоплению неупругих деформаций (усталости) и следовательно ресурс их значительно ниже.
Физической характеристикой пластичности металла является предел текучести (условный предел текучести). Эта величина определяет усилие при котором в материале появляется пластическая деформация. Чем меньше предел текучести, тем пластичнее материал, а следовательно меньше его ресурс. Предел текучести алюминия в 15 раз меньше, чем у титана!
Ещё одной причиной разрушения конструкционных материалов являются внешние дефекты (царапины). Стойкость материала к царапинам определяется твердостью. Твердость титана по Бриннелю составляет 103 ед., а у алюминия 25 ед., то есть у титана она в 4 раза выше!
У титана, согласно этой характеристике, есть ещё одно большое достоинство – он очень долго сохраняет первоначальный внешний вид и легко его восстанавливает (с помощью дополнительной механической обработки).
Суммируя всё сказанное, получается, что применительно к велосипедной раме титан выглядит материалом практически идеальным. Также это можно сказать про сочетание титана и карбона (углепластика). Однако, дорогой читатель, окончательный выбор всё равно остаётся за Вами.
Углепластики (карбопластики, углеродопласты) — это композиты, содержащие в качестве наполнителя углеродные волокна. Этот сравнительно новый класс ПКМ получил в последние годы наиболее интенсивное развитие благодаря своим уникальным свойствам, а именно:
- высоким значениям прочности и жесткости
- низкой плотности
- химической инертности
- тепло- и электропроводности
- высокой усталостной прочности
- низкой ползучести
- низким значениям коэффициента линейного термического расширения
- высокой радиационной стойкости
Важным фактором, определяющим в некоторой степени перспективность углепластиков, является их хорошая технологичность, позволяющая перерабатывать углепластики в изделия на стандартном технологическом оборудовании с минимальными трудовыми и энергетическими затратами.
В зависимости от вида углеродного армирующего наполнителя, его текстурной формы и геометрических размеров углепластики можно разделить на три группы:
- углеволокниты
- углетекстолиты
- углепресволокниты
Углепластики на основе непрерывных ориентированных углеродных нитей, жгутов и ровниц составляют группу углеволокнитов. Наиболее представительная группа углепластиков — углетекстолиты, в которых в качестве армирующего наполнителя используют тканые ленты и ткани различных текстурных форм. Углепластики на основе дискретных волокон составляют группу углеволокнитов.
Армирующие наполнители
Процесс изготовления углеродных волокон заключается в последовательном температурном и механическом воздействиях на исходные органические волокна, приводящих к их карбонизации, графитации и совершенствованию структуры.
На первом этапе нагрев исходных растянутых волокон до температуры 220 °С приводит к образованию поперечных химических связей между макромолекулами полимера.
На втором этапе нагрев до температуры 1000 °С позволяет получить так называемые карбонизованные волокна, на 80…95 % состоящие из элементарного углерода и обладающие достаточно высокой прочностью.
На третьем этапе (термообработка до температуры 1500…2000 °С) получают конечный продукт — графитизированное углеродное волокно с кристаллической структурой, близкой к структуре графита. В зависимости от условий получения и типа исходного сырья предел прочности и модуль упругости углеродных волокон находятся соответственно в пределах 2…3,5 ГПа и 220…700 ГПа. Наибольшей прочностью обладают волокна, которые при нагреве на последнем этапе (Т = 1600 °С) имеют мелкокристаллическую структуру. Высокомодульные материалы получают в результате растяжения волокна при температуре 2700 °С.
В качестве армирующих элементов углеродные волокна применяют в виде жгутов, лент и тканей. Они являются более хрупкими и менее технологичными, чем стеклянные, отличаются химической инертностью, низкой поверхностной энергией, обусловливающей плохое смачивание волокон растворами и расплавами матричных материалов, что в итоге приводит к низкой прочности сцепления на границе «волокно-матрица». Основное достоинство — высокая жесткость. Механические характеристики остаются постоянными до температуры 450 °С, что позволяет применять углеродные волокна с полимерной и металлической матрицами. Волокна характеризуются отрицательным коэффициентом линейного расширения, что в совокупности с положительным коэффициентом у матрицы позволяет синтезировать композиции для конструкций, сохраняющих свои размеры при температурном воздействии. Углеродные волокна используют для изготовления элементов, необходимая жесткость которых является условием, снижающим эффективность применения материалов, армированных стеклянными волокнами. Стоимость углеродных волокон на два порядка выше, чем стеклянных.
Полимерные матрицы
Полимерная матрица определяет эксплуатационные и технологические свойства углепластика. Для углепластиков используют как термореактивные, так и термопластичные матрицы. Из термореактивных матриц наибольшее рас-пространение получили эпоксидные связующие: эпоксидно-анилинофенолформальдегидное марки 5-211-Б, эпоксинаволачное — УНДФ, эпоксидное модифицированное диапластом — УП-2227, на основе тетрафункциональной эпоксидной смолы связующее — ВС-2526к, на основе смеси трех эпоксидных смол связующее — ЭДТ-69Н. Применение эпоксидных матриц обеспечивает получение углепластиков с высокими прочностными характеристиками, водостойкостью и химической стойкостью, хорошей эксплуатационной надежностью и ресурсом.
Из термопластичных матриц нашли применение полиимидная СП-97, полиамидоимидная ПАИС-104 и полисульфон, обеспечивающие работоспособность углепластиков при более высоких температурах (особенно полиимидная матрица — до 200…300 °С). Основной недостаток этих матриц — трудность изготовления на их основе полуфабрикатов (пропитанных лент — препрегов) и высокие температуры их отверждения.
Длительное тепловое воздействие может вызвать неотвратимое изменение химической структуры полимеров вследствие протекания термодеструкции. При длительном воздействии переменной механической нагрузки и недостаточном теплоотводе может произойти переход от механического разрушения материала к тепловому за счет диссипации механической энергии в тепловую.
|
Параметр |
Марка углепластика |
||||||||
| КМУ-1 лм | КМУ-3 | КМУ-Злп | КМУ-4л | КМУ-4э | КМУ-9 | КМУ-9т | КМУ-9тр | ||
|
Наполнитель |
Жгут ВМН-4 |
Лента ЛУ-П | Жгут ВМН-4 | Лента ЛУ-П | Лента ЛУ-П | Лента Элур-П | Жгут УКН- 11/500 | Лента УОЛ- 300 | Ткань УТ-900- 2,5 |
| ЭТФ-М | 5-211Б | 5-211Б | ЭНФБ | ЭНФБ | УНДФ- 4А | УНДФ- 4АР | УНДФ- 4АР | ||
| 58-63 | 57-63 | 50-55 | 50-55 | 54-59 | 60-62 | 58-62 | 55-59 | ||
|
Плотность р-КГ 3 , кг/м 3 |
1,48-1,50 | 1,4-1,45 | 1,4-1,45 | 1,45-1,50 | 1,49-1,52 | 1,55-1,58 | 1,52-1,56 | 1,52-1.54 | |
|
Прочность при растяжении, МПа: вдоль волокон поперек волокон |
780 18 | 110023 | 730 20 | 800 24 | 900 32 | 1500 32 | 1500 28 | 60 60 | |
|
Предел прочности при сжатии, МПа: вдоль волокон поперек волокон |
580 130 | 700 150 | 530 120 | 750 130 | 900 130 | 1200 140 | 1200 160 | 60 58 | |
|
Прочность при сдвиге вдоль волокон, МПа |
61 | 40 | 54 | 70 | 78 | 85 | 78 | 52 | |
|
Модуль упругости при растяжении, ГПа: вдоль ВОЛОКОН Еу поперек волокон Е-, |
145 | 180 9 | 1479,9 | 140 10 | 120 10 | 140 9 | 1258 | 67 67 | |
|
Модуль сдвига G]->, ГПа |
4,5 | 5,1 | 5,1 | 6,0 | 6,5 | 6,8 | 5,2 | 8,0 | |
|
Коэффициент Пуассона Мц |
0,27 | 0,31 | 0,27 | 0,25 | 0,265 | 0,27 | 0,33 | 0,07 | |
Физико-механические свойства углепластиков
Уровень свойств углепластиков зависит от характеристик применяемых углеродных волокон, вида и текстурной формы армирующего наполнителя, упругопрочностных свойств полимерной матрицы, качества раздела «волокно-матрица», от технологии переработки и структуры армирования материала. Накоплен значительный объем информации о физико-механических свойствах эпоксидных углепластиков, их поведении при различных видах нагружения (статика, повторная статика, динамика) и деформировании (растяжение, сжатие, сдвиг, срез, смятие), а также о ресурсе и сроке их эксплуатации в различных изделиях. В таблице представлены данные о свойствах однонаправленных углепластиков.
Углепластики обладают достаточно высокой длительной прочностью и низкой ползучестью благодаря высокой жесткости и низкой деформагивности углеродных волокон. Коэффициент длительного сопротивления Rt углепластиков в диапазоне рабочих температур t = 80…200 °С и при длительности нагружения r = 500… 1000 ч при растяжении и сжатии составляет 0,5…0,9 % от величины кратковременной прочности материала. Ползучесть углепластиков при длительном нагружении нагрузкой, составляющей (0,4 — 0,5) GВ, как правило, не превышает 0,1…0,5 %. Указанные характеристики благоприятно влияют на работоспособность материала при длительном нагружении с высоким уровнем действующих напряжений.
Углепластики обладают наибольшей среди известных КМ усталостной прочностью. Коэффициент усталостного сопротивления в зависимости от вида и степени асимметрии цикла равен (0.5…0,7) GВ, т. е. в 2-3 раза выше, чем у стеклопластиков, что связано также с высокими значениями модуля упругости углеродных волокон и как следствие более низким уровнем напряжений и меньшей повреждаемостью полимерной матрицы.
Выносливость углепластика может быть оценена через свойства и состав его компонентов следующим образом:
GR= GМ*GB* (EВ/EМ)*K.
Из уравнения следует, что усталостная прочность композита прямо пропорциональна прочности матрицы GМ и модуля упругости армирующих волокон ЕВ и обратно пропорциональна модулю упругости матрицы ЕМ. Коэффициент К характеризует степень использования прочности матрицы при циклическом нагружении и учитывает наряду с природой матрицы влияние технологии изготовления композита и уровень внутренних остаточных напряжений.
По сравнению с другими ПКМ углепластики обладают меньшей удельной ударной вязкостью, трещиностойкостью и остаточ- ностью к концентрации напряжений. Значительное влияние на чувствительность углепластиков к концентрации напряжений оказывает структура армирования и направление приложения нагрузки по отношению к ориентации волокон.
Так, при растяжении под углом ±45° к направлению армирования прочность углепластика очень мало зависит от размера концентратора. Мелкие дефекты, например, отверстия диаметром, не превышающим 4 мм, тоже почти не влияют на прочность углепластика квазиизотропной структуры как при кратковременном, так и при длительном статическом и усталостном нагружении.
Повышение остаточной прочности и вязкости разрушения углепластиков возможно путем создания гибридного (поливолокнистого) материала в виде чередования сплошных слоев углеродных и стеклянных, углеродных и органических наполнителей либо в виде периодически расположенных высокомодульных (борных) или низкомодульных (стеклянных с армированием ±45°) стопоров трещин. Применение высокомодульных стопоров приводит к перераспределению большей части нагрузки на стопоры в вершине трещины, а эффективность низкомодульных стопоров заключается в создании зоны низких напряжений с повышенной вязкостью разрушения, которая препятствует распространению трещины.
Ударную вязкость материала, пренебрегая прочностью матрицы, определяют параметром ((Ga)^2/2Е)*VВ (где Ga — реализованная прочность волокна в композите), поэтому для повышения ударной вязкости углепластиков целесообразно вводить в них высокопрочные, но низкомодульные волокна, какими являются стеклянные или органические волокна. Ударную вязкость поливолокнистого материала, содержащего низкомодульные волокна в количестве V2 с модулем упругости Е2 при реализации прочности волокон в композите G2 и высокомодульные волокна в количестве V1 с модулем упругости Е1 и реализованной прочностью углеродного волокнита в композите G1, можно определить по выражению:
a = ((G1^2)/2E1)V1 + ((G2^2)/2E2)V2
Демпфирующая способность углепластика определяется в основном рассеиванием энергии в матрице, сопровождающимся переходом механической энергии в тепловую, химическую и электрическую, и существенно зависит от уровня нагружения, структуры армирования материала и рабочей температуры. Если однонаправленные углепластики имеют уровень демпфирующей способности вдоль волокон 0,5… 1,0 %, то в диагонально-армированном углепластике она возрастает в 5-7 раз.
Рост механических потерь с увеличением температуры объясняется снижением модуля сдвига углепластика, что связано со значительными физическими изменениями, происходящими в полимерных связующих при повышении температуры. С уменьшением модуля сдвига наблюдается монотонное повышение коэффициента механических потерь.
Рис. Зависимость предела прочности (1) и модуля упругости при растяжении (2), логарифмического декремента затухания (3) от структуры армирования углепластика КМУ-4э
Рис. Зависимость логарифмического декремента от модуля сдвига полимерной матрицы для углепластиков КМУ-Зл, КМУ-1лм, КМУ-4э при температуре: 20 °С (7), 100 °С (2), 150 °С (5), 180 °С (4), 200 °С (5)
Теплофизические характеристики углепластиков зависят от типа волокон, типа и объемного содержания матрицы, содержания пор в матрице, температуры испытаний. Для различных углепластиков они существенно не различаются и находятся в следующих диапазонах:
- для коэффициентов теплопроводности 0,5… 1,0 Вт/м*С;
- для коэффициентов термического расширения (-1,5.. .0,5)*10-6/°С;
- для коэффициента теплоемкости 0,8… 1,5 ккал/кг * °С.
Имеющиеся сведения о поведении углепластиков под влиянием различных факторов внешней среды и в условиях, близких к эксплуатационным, могут быть использованы для прогнозирования их ресурсных характеристик.
Среди разнообразных видов воздействия наиболее опасным и отрицательно влияющим на структуру и свойства для всех ПКМ является климатическое термовлажностное циклирование, чередующееся или сочетающееся с рабочими тепловыми или механическими нагрузками. Свойства углепластиков в сухом состоянии при комнатной и повышенной температурах и после длительного термостарения изменяются незначительно. При совместном действии влаги и температуры наблюдаются структурные превращения в матрице и на границах раздела «волокно-матрица», вызывающие ухудшение характеристик. Механизм изменения свойств, обусловленный сорбцией влаги, связан с двумя основными процессами: потерями температурной прочности и жесткости вследствие пластификации матрицы в объеме и в приграничном слое и потерями из-за микро- и макрорастрескивания матрицы. В зависимости от типа материала их предельное влагопоглощение различается в 1,5-2 раза и составляет для наиболее влагостойких материалов 1 %.
Уровень безопасного содержания влаги в углепластиках составляет 0,6…0,7 %; дальнейшее увеличение содержания влаги может привести к снижению упругопрочностных характеристик углепластиков при максимальной рабочей температуре на 15.. .20 %.
Технологические приемы переработки углепластиков аналогичны технологии переработки СП. В зависимости от формы и геометрических размеров детали применяются соответствующие методы формования: прессование, автоклавное формование, намотка, пултрузия, вакуумное или пресскамерное формование, пропитка под давлением. Главное в технологическом процессе — обеспечить выполнение требований к основным технологическим параметрам проведения режима формования (температура формования и скорость подъема температуры, величина и время приложения давления формования, время выдержки на отдельных режимах формования, скорость и температура охлаждения).
Области эффективного применения углепластиков
По комплексу свойств углепластики существенно превосходят традиционные стали, алюминиевые и титановые сплавы, обладая повышенными удельной прочностью и жесткостью, высокой усталостной и длительной прочностью, возможностью регулирования анизотропии свойств, широким комплексом тепло- и электрофизических характеристик, многофункциональностью назначения. Углепластики находят все более широкое применение в различных отраслях промышленности.
В технике объем внедрения углепластиков в 70-90-е годы XX века увеличивался интенсивно: от 2…4 % (от веса конструкции) до 25…60%.
В конструктивных решениях выполнения деталей из углепластиков можно выделить три направления:
- монолитные конструкции
- трехслойные панели (в основном с сотовым заполнителем)
- комбинированные (металлопластиковые) конструкции
В каждом конкретном случае необходимо оценивать весовую, техническую и эксплуатационную эффективность конструкции.
Основная тенденция применения углепластиков — создание крупногабаритных элементов конструкций. При этом резко со-кращается количество входящих деталей, появляется дополнительное снижение массы конструкции за счет уменьшения количества узлов соединений. Применение углепластиков в авиационных конструкциях позволяет снизить их массу на 20…40 %, повысить жесткость элементов конструкций на 30…50 %, выносливость — в 3-4 раза, а в некоторых случаях увеличить и прочность конструкций. В космической технике с применением углепластиков изготовляются высоконаправленные антенны, микроволновые фильтры и волноводы, оптические телескопы, рамы солнечных батарей, корпуса ракетных двигателей, различные ферменные конструкции, корпуса ракет и транспортных контейнеров.
Зарубежная и отечественная практика показала целесообразность использования углепластиков:
- в автомобильной промышленности — для изготовления кузовов легковых и кабин грузовых автомобилей, дверей, бамперов, цистерн для перевозки топлива, однолистовых рессор и рычагов подвески, ободьев колес, труб карданных передач, корпусов двигателей, деталей шатунно-поршневой группы (шатунов, поршней, поршневых колец, клапанов и т. д.);
- в судостроении — для корпусов морских и речных судов, корпусов малых тральщиков, в панелях, перегородках, палубных надстройках, для гребных винтов, для изготовления глубоководных аппаратов;
- в сельхозмашинах — для изготовления прицепного сельскохозяйственного оборудования;
- в станкостроении — для станин станков, вращающихся деталей электрооборудования, маховиков, аккумуляторов кинетической энергии, для деталей машин с высокими скоростями вращения, для роботов, манипуляторов.
Благодаря высокой устойчивости к действию химически агрессивных жидкостей и газов углепластики успешно применяются в химическом машиностроении для изготовления реакторов, трубопроводов центрифуг, лопастей насосов, осадительных ванн, выхлопных труб. В конструкции ткацких станков из углепластиков изготовляют подборочные и направляющие стержни, ремизные рамы, рапиры, спицы, тяги, что позволяет увеличить срок службы деталей, повысить износостойкость, уменьшить величину усилий, поднять производительность станков, уменьшить энергозатраты.
Высокая радиационная стойкость углепластиков делает их применение весьма эффективным в нейтронном оборудовании, для изготовления контейнеров и перевозки радиоактивных материалов, для захоронения радиоактивных отходов.
Благодаря хорошей электропроводности углеродных волокон углепластики на их основе успешно применяются в качестве нагревательных элементов для обогрева помещений, одежды, животноводческих ферм.
Высокая биологическая и механическая совместимость углеродных волокон с тканями живого организма определяют перспективу их применения в медицинской технике.
Низкий коэффициент линейного термического расширения углепластиков позволяет их использовать в криогенной технике при изготовлении баллонов для хранения сжиженных газов, а также для трубопроводов, клапанов.
Углепластики с высокой термостойкостью находят применение в металлургии в качестве арматуры и футеровки печей, деталей приборов, погруженных в жидкие металлы, деталей и узлов металлургических станков. Все чаще углепластики используются в строительстве для изготовления панелей жилых домов, балок, пролетов мостов, кранов.
В электротехнической промышленности углепластики эффективны для создания лопастей ветроэнергетических установок различной мощности, в электродвигателях, приборных панелях, для изготовления опор линии электропередач, в изоляторах для линий высоковольтных передач, для защиты от электромагнитных волн, в антеннах средств связи, радиоприборах, диффузорах громкоговорителей.
В железнодорожном транспорте эффективно применение углепластиков для изготовления вагонов, контейнеров, узлов подвески.
В нефтяной и газовой промышленности углепластики находят применение в трубах для бурения глубоких скважин, в газопроводах.
Углепластики широко используются при изготовлении спортивного инвентаря, спортивных самолетов. Они существенно позволяют снизить массу, повысить жесткость и летные качества самолетов и планеров, ходовые качества гоночных судов, яхт, байдарок, каноэ. Из них изготовляют гоночные велосипеды, мотоциклы, шесты, весла, ракетки для гольфа, тенниса, луки, стрелы, удочки, хоккейные клюшки, лыжи, лыжные палки и пр.
Загрузка...