Карбон и углеродное волокно в чем разница
Карбон — что это такое
Что такое углепластик
Международное наименование Carbon — это углерод, из которого и получаются карбоновые волокна carbon fiber.
Но в настоящее время к карбонам относят все композитные материалы, в которых несущей основой являются углеродные волокна, а вот связующее может быть разным. Карбон и углепластик объединились в один термин, привнеся путаницу в головы потребителей. То есть карбон или углепластик — это одно и то же.
Это инновационный материал, высокая стоимость которого обусловлена трудоемким технологическим процессом и большой долей ручного труда при этом. По мере совершенствования и автоматизации процессов изготовления цена карбона будет снижаться. Для примера: стоимость 1 кг стали — менее 1 доллара, 1 кг карбона европейского производства стоит около 20 долларов. Удешевление возможно только за счет полной автоматизации процесса и сокращения времени его производства.
Применение карбона
Изначально карбон был разработан для спортивного автомобилестроения и космической техники, но благодаря своим отличным эксплуатационным свойствам, таким как малый вес и высокая прочность, получил широкое распространение и в других отраслях промышленности:
Гибкость углеродного полотна, возможность его удобного раскроя и резки, последующей пропитки эпоксидной смолой позволяют формовать карбоновые изделия любой формы и размеров, в том числе и самостоятельно. Полученные заготовки можно шлифовать, полировать, красить и наносить флексопечать.
Технические характеристики и свойства карбона
Популярность углепластика объясняется его уникальными эксплуатационными характеристиками, которые получаются в результате сочетания в одном композите совершенно разных по своим свойствам материалов — углеродного полотна в качестве несущей основы и эпоксидных компаундов в качестве связующего.
Армирующий элемент, общий для всех видов углепластика — углеродные волокна толщиной 0,005-0,010 мм, которые прекрасно работают на растяжение, но имеют низкую прочность на изгиб, то есть они анизотропны, прочны только в одном направлении, поэтому их использование оправдано только в виде полотна.
Дополнительно армирование может проводиться каучуком, придающим серый оттенок карбону.
Карбон или углепластик характеризуются высокой прочностью, износостойкостью, жёсткостью и малой, по сравнению со сталью, массой. Его плотность — от 1450 кг/м³ до 2000 кг/м³. Технические характеристики углеволокна можно посмотреть в с равнительной таблице плотности, температуры плавления и прочностных характеристик.
Кевлар—это американская торговая марка класса полимеров арамидов, родственных полиамидам, лавсанам. Это название уже стало нарицательным для всех волокон этого класса. Армирование повышает сопротивление изгибающим нагрузкам, поэтому его широко используют в комбинации с углепластиком.
Как делают карбоновые нити
Волокна, состоящие из тончайших нитей углерода, получают термической обработкой на воздухе, то есть окислением, полимерных или органических нитей (полиакрилонитрильных, фенольных, лигниновых, вискозных) при температуре 250 °C в течение 24 часов, то есть практически их обугливанием. Вот так выглядит под микроскопом углеродная нить после обугливания.
После окисления проходит карбонизация — нагрев волокна в среде азота или аргона при температурах от 800 до 1500 °C для выстраивания структур, подобных молекулам графита.
Затем проводится графитизация (насыщение углеродом) в этой же среде при температуре 1300-3000 °C. Этот процесс может повторяться несколько раз, очищая графитовое волокно от азота, повышая концентрацию углерода и делая его прочнее. Чем выше температура, тем прочнее получается волокно. Этой обработкой концентрация углерода в волокне увеличивается до 99%.
Виды волокон карбона. Полотно
Волокна могут быть короткими, резаными, их называют «штапелированными», а могут быть непрерывные нити на бобинах. 
Это могут быть жгуты, пряжа, ровинг, которые затем используются для изготовления тканого и нетканого полотна и лент. Иногда волокна укладываются в полимерную матрицу без переплетения (UD).
Так как волокна отлично работают на растяжение, но плохо на изгиб и сжатие, то идеальным вариантом использования углеволокна является применение его в виде полотна Carbon Fabric.
Оно получается различными видами плетения: елочкой, рогожкой и пр., имеющими международные названия Plain, Twill, Satin. Иногда волокна просто перехвачены поперек крупными стежками до заливки смолой. Правильный выбор полотна для углепластика по техническим характеристикам волокна и виду плетения очень важен для получения качественного карбона.
В качестве несущей основы чаще всего используются эпоксидные смолы, в которых полотно укладывается послойно, со сменой направления плетения, для равномерного распределения механических свойств ориентированных волокон. Чаще всего в 1 мм толщины листа карбона содержится 3-4 слоя.
Достоинства и недостатки карбона
Более высокая цена карбона по сравнению со стеклопластиком и стекловолокном объясняется более сложной, энергоемкой многоэтапной технологией, дорогими смолами и более дорогостоящим оборудованием (автоклав). Но и прочность с эластичностью при этом получаются выше наряду со множеством других неоспоримых достоинств:
Но по сравнению с металлическими и деталями из стекловолокна карбоновые детали имеют недостатки:
Как делают карбон
Существуют следующие основные методы изготовления изделий из углеткани.
1. Прессование или «мокрый» способ
Полотно выкладывается в форму и пропитывается эпоксидной или полиэфирной смолой. Излишки смолы удаляются или вакуумформованием, или давлением. Изделие извлекается после полимеризации смолы. Этот процесс может проходить как естественным путем, так и при нагреве. Как правило, в результате такого процесса получается листовой углепластик.
2. Формование
Изготавливается модель изделия (матрица) из гипса, алебастра, монтажной пены, на которую выкладывается пропитанная смолой ткань. При прокатке валиками композит уплотняется и удаляются излишки воздуха. Затем проводится либо ускоренная полимеризация и отверждение в печи, либо естественная. Этот способ называют «сухим» и изделия из него прочнее и легче, чем изготовленные «мокрым» способом. Поверхность изделия, изготовленного «сухим» способом, ребристая (если его не покрывали лаком).
К этой же категории можно отнести формование из листовых заготовок — метод препрегов.
Смолы по своей способности полимеризоваться при повышении температуры разделяются на «холодные» и «горячие». Последние используют в технологии препрегов, когда изготавливают полуфабрикаты в виде нескольких слоев углеткани с нанесенной смолой. Они в зависимости от марки смолы могут храниться до нескольких недель в неполимеризованном состоянии, прослоенные полиэтиленовой пленкой и пропущенные между валками для удаления пузырьков воздуха и лишней смолы. Иногда препреги хранят в холодильных камерах. Перед формованием изделия заготовку разогревают, и смола опять становится жидкой.
3. Намотка
Нить, ленту, ткань наматывают на цилиндрическую заготовку для изготовления карбоновых труб. Кистью или валиком наносят послойно смолу и сушат преимущественно в печи.
Во всех случаях поверхность нанесения смазывается разделительными смазками для простого снятия получившегося изделия после застывания.
Можно ли сделать углепластик своими руками
Где брать углеткань
Тайвань, Китай, Россия. Но в России это относится к «конструкционным тканям повышенной прочности на основе углеволокна». Если найдете выход на предприятие, то вам очень повезло. Много компаний предлагают готовые наборы для отделки автомобилей и мотоциклов карбоном «Сделай сам», включающих фрагменты углеткани и смолу.
70% мирового рынка углеткани производят тайваньские и японские крупные бренды: Mitsubishi, TORAY, TOHO, CYTEC, Zoltec и пр.
Надеемся, вы нашли исчерпывающий ответ на вопрос «Что такое карбон»?
Углеродное волокно (карбон) – строительный материал будущего
Главная страница » Углеродное волокно (карбон) – строительный материал будущего
Композиты CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer) — современные облегчённые и прочные материалы. Этот вид композитов удачно применим для производства различных продуктов, используемых в повседневной жизни. Полимерный композит карбона – это структура, армированная волокнами углерода, выступающего в качестве главного компонента. Следует отметить: символ «Р» аббревиатуры CFRP допускает также расшифровку «пластик», а не только «полимер».
О композитных материалах будущего
Композиты CFRP, как правило, создаются с применением термореактивных смол:
Несмотря на тот факт, что термопластичные смолы используются в составе композитов CFRP, часто можно встретить несколько иную аббревиатуру, определяющую композит как CFRTP (Carbon Fiber Reinforced Thermoplastic Composites). В принципе, разница несущественная.
Тем не менее, при работе с композитами важно понимать все относимые к ним термины и аббревиатуры. Не менее важно понимать свойства композитов CFRP и все возможности участвующего в них силового компонента, коим является карбон.
Преимущества композитов CFRP
Композитные материалы, армированные углеродным волокном — карбоном, резко отличаются от обычных композитов, содержимое структуры которых характерно присутствием традиционных компонентов:
Поэтому свойства композитов CFRP являются более предпочтительными для современных технологий производства.
Таким выглядит внешне строительный материал настоящего и будущего — углеродное волокно. Его также называют кратким, но ёмким словом — карбон
Этот вид материала значительно прочнее и жестче стекловолокна из расчёта на единицу веса. Остаётся лишь догадываться, какой будет разница, если сравнивать композиты из углеродного волокна с металлами.
Пока что карбон (углеродное полотно) достаточно активно применяется для производства отдельных деталей автомобилей высшего класса. На фото патрубок из карбона для мотора машины
Согласно исследованиям, при сравнении стали и CFRP, структура углеродного волокна с той же прочностью что у стали, будет весить в 5 раз меньше.
Этот момент приоткрывает очевидный интерес всемирно известных автомобильных компаний по отношению к технологиям с применением карбона вместо традиционной стали.
Если сравнивать композиты CFRP с алюминием, обладающим славой лёгкого металла, в объёмной составляющей алюминиевая структура с равной прочностью окажется в 1,5 раза тяжелее, нежели структура углеродного волокна.
Конечно, найдётся достаточное количество факторов, которые могут оказать влияние на отмеченные сравнения. К примеру, сорт и качество материалов способны изменить результаты. К тому же для композитов всегда важно учитывать производственный процесс, архитектуру волокон, качество.
Недостатки композитов CFRP
Композиты CFRP уникальные продукты, но есть серьёзная причина, заставляющая искать ответ на вопрос, отчего углеродное волокно активно не используется в гражданском строительстве.
Один из немногочисленных строительных проектов, где частично применялось углеродное волокно для создания экзотических форм. Но даже при малом внедрении материала эффект впечатляет
На текущий момент материалы CFRP остаются всё ещё сильно дорогостоящими. Правда, цена карбона нередко находится в прямой зависимости от конкретных факторов:
Сырьё углеродного волокна по цене за килограмм может варьироваться от 5-кратной до 25-кратной стоимости стекловолокна. А в случае сравнения продуктов из стали и композитов на основе CFRP, эта разница увеличивается ещё.
Таким образом, цена инновационного современного продукта является его первым главным недостатком. Второй недостаток карбона — электропроводимость. Углеродное волокно характеризуется как легко проводящее электрический ток.
Но этот недостаток сводится на нет, если отталкиваться от конкретной сферы применения. Для иных проектов электропроводимость углеродного волокна переходит из недостатка в преимущество.
Близкий родственник карбона — стекловолокно. Этот материал тоже обладает уникальными свойствами, но до углеродного волокна ему далеко. Единственное преимущество стекловолокна — свойства изолятора
Опять же, если сравнивать стекловолокно, этот продукт, напротив, характеризуется качественным изолятором. Именно поэтому многие технологии строятся на использовании стекловолокна.
Такие технологии невозможно перестроить на карбон или металл по причине наличия свойств высокой электропроводимости металла и углеродного волокна.
Карбон и перспективы развития
Углеродный волокнистый материал – карбон, обещает широкий диапазон применения, так как позволяет при различных плотностях формировать разные формы и размеры. На современном этапе традиционными формами карбона являются:
Каждую из форм доступно изготовить на заказ в любом количестве составных частей, обрезков, кусков.
Пример отдельно взятого изделия на основе углеродного волокна — зеркало заднего вида автомобиля. Здесь не столько радует дизайн, сколько безвременный срок жизни аксессуара
Уже сейчас среди примеров применения углеродных волокон разных по качеству, можно встретить привычные для массового пользователя вещи:
Карбон высокого качества применяется в сферах, где приоритетом являются новые технологии:
Тем не менее, широкого внедрения карбона пока что не наблюдается. Обусловлены ограничения, прежде всего, высокой себестоимостью процесса получения материала.
Сложности массового производства карбона требуют вливания значительных средств. Этим фактом обусловлен слабый интерес компаний к новому эффективному материалу.
Например, изготовление только лишь одного велосипеда из карбона обходится производителю, как минимум, в сто тысяч рублей. Поэтому для автомобильной промышленности или массового строительства разного рода объектов, внедрение нового материала крайне ограничено.
Этот велосипед был сделан из материала с добавлением углеродного волокна. Точная себестоимость производства экземпляра неизвестна
Актуальный пример: более-менее массовое использование углеродного волокна в конструкциях спортивных экзотических автомобилей. Правда, последние годы наметилась тенденция активного внедрения углеродно-волоконных материалов в мостостроительной сфере.
Пародия на углеродное волокно
На фоне удивительных свойств карбона традиционно активизировались любители выдавать желаемое за действительное. Рынок наполнился предложениями относительно дешёвого углеродного волокна. Внешне продукт действительно похож на карбон, но только внешне.
Фактически, выдаваемые за карбон синтетические материалы являются обычным пластиком, внешне напоминающим углеродное волокно. Такие изделия можно часто встретить среди компонентов компьютерной и другой бытовой техники.
На площадках некоторых интернет магазинов предлагается материал внешне похожий на углеродное волокно. На самом деле это обычное стекловолокно
Карбон легко перепутать с другим материалом – стекловолокном, и этим тоже пользуются недобросовестные продавцы рынка. Но стекловолокно, структурно усиленно нитями кварцевого стекла, а никак не углеродом.
Поэтому материалы из чистого карбона отличаются выраженной прочностью, в то время как материалам на основе стекловолокна присущи выраженные свойства гибкости.
Свойства карбона позволяют производить продукты без конкретных границ долговечности.
И в этом тоже существенное отличие.
Углебетон – производная углеродного волокна
Совсем недавно на строительном рынке случилась самая настоящая сенсация. Немецким инженерам удалось применить карбон в качестве арматурного элемента бетона. Так получили новый строительный материал века – углебетон. Правда, чтобы получить конечный результат, немцам потребовались годы.
Лабораторные испытания строительного материала будущего — углебетона. В раствор обычного бетона внедряются нити углеродного волокна
Новый строительный материал логично сравнить с традиционным железобетоном. Только вместо привычной стальной арматуры здесь используется тканое углеродное волокно.
Технологию применения такого вида карбона немцы держат в секрете, озвучивают лишь поверхностную технику строительства:
Таким способом получают заливную конструкцию нужной толщины и других размеров. Применение карбонного полотна в сочетании с жидким бетоном – такая технология открывает небывалые возможности для создания строительных конструкций невообразимых форм. При этом надёжность строений обещает быть на порядок выше традиционных – железобетонных.
Углеродные ламели: продолжение эпопеи карбона
Между тем наряду с карбонным полотном для бетона, на строительном рынке появилась ещё одна новинка – углеродные ламели.
Примерно так выглядит процесс усиления строительной конструкции, благодаря использованию ламелей из углеродного волокна
Пластинчатый материал, структурно представляющий углеродно-волоконный продукт. Основное предназначение углеродных ламелей:
Углеродным ламелям присущи свойства выраженной упругости при растяжениях. Этот строительные материал отличают высокие механические характеристики при его малом весе.
Пример удачного использования карбонных ламелей – укрепление мостовых опор. Производство их пока ещё остаётся дорогим, но в перспективе ситуация обещает измениться. Применять ламели из карбона на практике несложно:
Через определённый промежуток времени структура ламели пропитывается эпоксидной смолой, застывает и превращается в монолитную крепкую основу. При желании поверх такой основы можно положить декоративный слой.
Начало массового производства углеродного волокна в России
Видеоролик «Алабуга-Волокно» — наглядный информационный материал об организации современного производства углеродного волокна на территории России. «Алабуга-Волокно» — это одно из многих уникальных российских производств современности:
КРАТКИЙ БРИФИНГ
Из чего делают ткань карбон и где используется этот материал?
Свойства и особенности ткани
Физико-механические
Гигиенические
Легкость и удивительная прочность карбона достигается специфической тепловой обработкой. Оказывается, можно «запекать» один вид волокна, чтобы получилась принципиально новая нить.
Тип и общее описание материала
Ткань карбон (углеродная ткань или углепластик) представляет собой композиционный технический материал, который производится из углеродных волокон диаметром от 5 до 10 микрометров, в свою очередь получаемых в результате термической обработки в инертной среде органических волокон.
Под воздействием высоких температур атомы углерода, связанные в микроскопические кристаллы, выравниваются вдоль оси волокна. Несколько тысяч связанных вместе углеродных волокон образуют жгут, который можно использовать самостоятельно или для плетения ткани.
Одной из главных характеристик карбона является его термическая стойкость. Материал сохраняет все свои параметры даже при нагревании 1500-2000 градусов (при отсутствии во внешней среде кислорода).
Углеродные волокна, необходимые для армирования полотна, обычно комбинируют с другими материалами, чтобы сформировать композит.
Карбон широко применяются во многих отраслях промышленности, гражданском строительстве, аэрокосмической области, в военном деле, автоспорте и пр. Однако эти ткани относительно дороги в сравнении с материалами, произведенными из стекловолокна или пластмассовых волокон.
Мировыми лидерами в производстве углеродных тканей являются США, Япония, Германия, Италия, Франция, Китай. В России карбон производится в Челябинске (завод композиционных и углеродных материалов), в Саратовской области и Москве (НПЛ «Химинжиниринг»)
История происхождения
Впервые углеродные волокна произвел в 1860 году американец Джозеф Свон. В 1879 году Томас Эдисон «выпекал» в углеродные волокна хлопковые и бамбуковые нити, используя их в одной из первых электрических ламп накаливания.
В 1958 году Роджер Бэкон из Огайо создал углеродные волокна путем нагревания до карбонизации шелковых нитей. Однако волокна содержали только 20% углерода и были недостаточно прочными и жесткими.
Но уже в начале 1960-х другой американец, Ричард Миллингтон, разработал способ производства почти полностью (99%) состоящего из углерода волокна с использованием в качестве прекурсора вискозы.
В конце 1960-х мировыми лидерами в производстве углеродных волокон стали японцы. Тогда же в качестве альтернативного сырья начал применяться нефтяной пек, полученный при переработке нефти.
Состав и свойства ткани
Сегодня понятие «карбоновая ткань» включает в себя все композитные полотна, несущая основа которых образована углеводородными волокнами. Их прекурсорами являются полиакрилонитрил, вискоза и синтетическая смола (как правило, эпоксидная или полиэфирная), используемая в качестве связующего материала.
Тонкие нити углерода трудно порвать, они выдерживают даже очень сильное натяжение, но их достаточно легко сломать. Именно поэтому углеродные волокна используются, в основном, только в виде полотна. Внешний вид этой ткани обычно зависит от линейной плотности пряжи и выбранного типа переплетения. Самые распространенные виды переплетения — саржа, атлас и полотняное. Пряжа из углеродных волокон также может быть связанной или плетеной.
Помимо термостойкости, карбон отличается: