Карбоновое волокно что это такое
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»?
Карбон – ткань технического предназначения, состоящая из углеродных волокон. Превосходит традиционные металлы по многим характеристикам. При крайне малом весе обладает сверхпрочностью, высокой стабильностью и сопротивляемости усталости. Благодаря таким свойствам, карбон незаменим во многих областях: ракето- и авиастроении, энергетике, строительстве, профессиональном спорте.
Описание и суперсвойства ткани
Карбон – это технический материал, сплетенный из тонких нитей углерода и скрепленных клеящими составами. Цвет ткани обычно черный, но чаще с серыми включениями.
На поверхности четко прослеживается геометрический рисунок, образуемый переплетением нитей. Узор бывает разным, все зависит от примененной ткацкой техники.
Карбон необычайно легкий, одновременно прочный, устойчивый к сверхвысоким температурам, механическим нагрузкам. Хорошо укладывается на выпуклые поверхности, поддается резке, долго служит без ущерба свойствам и внешнему виду.
Факт. Детали из карбоновой ткани жестче конструкционной стали на 14 %, алюминия – на 18%.
Изготовление и состав
Карбоновое полотно делают из тончайших нитей углерода диаметром 3-15 мкм, которые получают из полимерных материалов или органических волокон методом окисления, т. е. термической обработкой. Обугливание проводится в воздушной среде на протяжении суток при постоянной температуре 250 °C.
Затем углеродное волокно подвергают карбонизации. Материал помещают в автоклав с инертным газом, прокаливают при 800-1500 °C. Во время термической обработки происходит пиролиз: из волокон уходят летучие компоненты, а в структуре образуются новые связи. Далее готовый продукт проходит графитизацию – максимальное насыщение углеродом в автоклаве с инертным газом при 1600-3000 °C. Чем выше температура и дольше процесс, тем качественней, прочней становится волокно.
В зависимости от примененной технологии углеродные нити бывают резаными короткими или непрерывными (наматываются на бобины).
Изготовление углепластиковой ткани начинается с карбоновой сетки, для которой используются разные способы плетения: полотняное, саржевое, жаккардовое, сатиновое. Чтобы придать углепластику прочность и надежность, нити укладывают под определенным углом, меняя его каждый раз в следующем слое.
Готовое основовязаное полотно карбона скрепляют клеящими составами. Обычно применяются различные смолы: полиэфирные, винилэфирные, эпоксидные.
В производстве карбоновой ткани используют два метода:
| Способ | Особенности |
|---|---|
| Мокрый | Подготовленную сетку из волокон укладывают в автоклав в специальную форму. Пропитывают эпоксидными смолами, затем подвергают давлению свыше 10 атм. и полимеризации при 150 °C |
| Сухой | Для отвержения волокон используют более высокое давление – до 32 атм., температуру 200 °C. Благодаря этому получают карбон слоем 0,5 мм – тоньше, чем при мокром способе. |
Справка. Углеродные нанотрубки – усовершенствованный вид углепластика. Небольшой отрезок нити диаметром 1 мм выдерживает груз 20 т!
В зависимости от предназначения основовязаной ткани, углеродные волокна подвергаются дополнительному армированию. Процесс проводят с помощью каучука, кевлара, пр. материалов.
Сильные и слабые стороны
Углеродная ткань обладает массой преимуществ по сравнению со стеклопластиком и другими материалами. Стоимость ее выше, поскольку производится по сложной многоступенчатой технологии с использованием дорогостоящих добавок на специальном оборудовании.
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:
Углеволокно. Свойства и применение. Виды заготовок и особенности
Углеволокно (УВ) – специализированный прочный материал, состоящий из тонких нитей толщиной от 5 до 10 мкм, сформированных атомами углерода. Обычно они в дальнейшем собираются для изготовления особой пряжи. Особенность данного материала в химической инертности, малом удельном весе, а также высокой прочностью к растяжению.
Технология изготовления
Углеволокно отличается высокой стоимостью, так как технология его производства достаточно затратная и сложная. В качестве исходного сырья для получения углеволокна применяются органические волокна. Задача производителя – удалить из них все лишнее, кроме атомов углерода.
Чтобы получить углеродное волокно, исходное сырье окисляют на воздухе, долго воздействуя на него при температуре 250°C. Длительность этого процесса может доходить до 1 суток. Температура способствует строению в волокнах особенных лестничных структур атомов.
На следующем производственном этапе выполняется постепенный нагрев до температуры 800°C, а затем ее повышением до 1500°C. Это происходит уже в среде азота или аргона. Данный процесс называется карбонизация. Он заканчивается образованием графитовой структуры.
Финальная стадия производства называется графитизация. Это очень ресурсозатратный сложный процесс, который подразумевает прогрев формируемого волокна до 3000°C. В итоге в нем остается не более 1% примесей, основную же структуру занимают именно атомы углерода.
Полученные волокна в разы тоньше человеческого волоса. В итоге они собираются пучками, после чего из них обычно сплетается подобие ткани. Такой материал в основном применяется для изготовления различных изделий методом соединения слоями с использованием в качестве связующего полимерных смол.
Виды полуфабрикатного сырья из углеволокна
Волокна перерабатываются в различные материалы, используемые как полуфабрикат для получения других изделий. Производители предлагают свое сырье в таком виде:
Вся эта продукция применяется в композитных материалах, где углеволокно служит армирующим слоем. В качестве же связующего, может использовать смола, бетон и т.д. Также существуют варианты применения углеродных волокон в чистом виде, однако в этом случае они ценятся не за прочность, а к примеру адсорбирующие качества.
Свойства углеродного волокна
Материал имеет выдающиеся качества, за счет чего является незаменимым во многих направлениях. К главным техническим параметрам углеродного волокна можно отнести:
Материал способен выносить нагрев вплоть до 1600-2000°С без изменения качеств, при условии нахождения в бескислородной среде. Данное свойство углеволокна дает возможность его использовать как тепловой экран в различных устройствах, эксплуатируемых в условиях повышенных экстремальных температур.
Углеволокно способно переносить контакт практически с любыми химическими веществами. Но все же оно не идеальное, так как окисляется в кислородной среде при сильном нагреве. В итоге реально использовать углеродное волокно на воздухе можно только при условии нагрева не более, чем 370°С. Это все же не так плохо. Нужно отметить, что обычно материал находится в композите, где не контактирует с воздухом. Если связующий компонент композита способен держать большую температуру чем 370°С, то и для углеволокна предел будет ограничен только стойкостью внешней оболочки. Пока последняя не разрушится, волокно будет работать без изменения рабочих качеств.
Удельная прочность углеволокна доходит до 2,5-3,5 ГПа при воздействии на разрыв. Это один из самых крепких материалов. При этом он гибкий и очень легкий. Изделия из углеволокна в разы превосходят возможности пластиков, дерева и т.д. Благодаря этому из них делают облегченные сверхмощные рамы для велосипедов, мотоциклов и даже детали обшивки гоночных автомобилей, космических аппаратов, самолетов.
При пропускании через углеволокно электрического тока, оно сильно разогревается. Именно это изначально и являлось основным ценным свойством материала. Его изобретатель Т.Эдисон разработал технологию получения волокон из углерода именно благодаря тому, что тот при пропускании тока греется. Ученый использовал УВ в качестве нити накаливания для своих электрических ламп освещения. В дальнейшем такое применение было прекращено, так как использование вольфрама более практичное. Сейчас токопроводимостью углеволокна пользуются в электронике.
Где используется
Углеродное волокно применяется в самых разнообразных сферах и областях, так как ценится за легкость и прочность.
Углеволокно используется в таких направлениях производства:
В больших объемах УВ расходуется в строительной сфере. В своем большинстве он нужен для реставрации старинных архитектурных сооружений. Одним из примеров такого применения является углебетон. Это композитный материал, представляющий собой по составу обычный бетон, в который слоями вложено углеволокно. Он намного прочнее прочих бетонов, к тому же не боится коррозии, так как не имеет стальной арматуры. Также углеволокном, с применением полимерных смол, укрепляют различные поврежденные поверхности, чтобы вернуть их монолитность перед оштукатуриванием, не создавая слишком толстый слой штукатурки.
УВ применяется также для изготовления систем фильтрации. Оно обладает очень выраженными абсорбирующими качествами. Это позволяет фильтрам на его основе удалять органические и хлорорганические соединения. Считается, что они позволяют убрать из питьевой воды сторонние вкус и запахи. Само УВ при этом является полностью безопасным для человека, так как не выделяет никаких опасных компонентов в жидкость.
Что такое карбон
Одним их самых известных материалов, получаемых из углеволокна, является карбон. Он изготавливается из хаотично расположенных волокон, из которых формируются пучки. Последние переплетаются по схожей технологии, что применяется при изготовлении тканей. Количество ниток в пучках исчисляется тысячами. Чем их больше, тем толще карбон. В связи с этим в его названии применяется маркировка, указывающая на количество волокон. Так, если толщина обозначена как 2.5K, то это говорит, что в карбон вплетено 2,5 тыс. волокон. Встречается материал разной толщины: 6K, 12K и даже 24 К.
Стоит отметить, что карбон толщиной в 12К настолько прочный, что преимущественно применяется в военной промышленности. Из него делают головки баллистических ракет, и даже лопасти для вертолетов. Углеволокно в карбоне такой толщины способно выносить колоссальные нагрузки, от которых обычный металл просто изогнется. При этом это очень легкий материал.
Что такое углепластик
Многие знают об углепластике, который также содержит в себе УВ. Для его формирования применяются 3 технологии:
При использовании мокрого способа, углеродное волокно укладывается слоями в формы, между ними наносится смола. Чаще всего применяется эпоксидная, или полиэфирная. В итоге сделанное таким образом изделие высушивается до полимеризации связующего, после чего извлекается из формы.
Также распространенным методом является прессование. Для этого исходное сырье пропитываться смолой, затем спрессовывается. В итоге во время сжатия полимер затвердевает, и на выходе получается готовое изделие. Оно отличается от получаемых другими методами тем, что имеет ребристую поверхность. Особенность этой технологии в том, что возможно делать в итоге предмет практически любой объемной формы.
Также из углеволокна можно изготавливать трубы методом намотки. Для этого применяется только тканый или нетканый материал в виде холста. Он наматывается на цилиндр нужного диаметра, с нанесением между слоями смолы. В итоге достаточно быстро формируются трубки. Обычно их используют для изготовления легких лыжных палок, удилищ. Аналогичным методом делают и облегченные рамы для спортивных велосипедов.
Недостатки углеволокна и изделий из него
У углеволокна имеются и недостатки. В целом это хороший материал, но композиты на его основе далеко не идеальные. Они имеют ряд слабых сторон:
Сами по себе композитные материалы на основе углеволокна отличаются превосходной стойкостью. При этом они плохо переносят точечные удары. В итоге от такого воздействия на них могут образовываться сколы. Конечно проблема здесь не в самом углеволокне, а смоле. Волокно служит внутренней арматурой, а сама смола выполняет силовую скрепляющую функцию. Так что при ударах скалывается именно она.
Сложно изготовить как само углеволокно, так и в дальнейшем изделия из него. Нужно укладывать его слой за слоем, и промазывать связывающим полимером. К примеру, чтобы сформировать лист углепластика толщиной 1 мм, нужно уложить 4 слоя углеволокна. То есть сам процесс достаточно длительный и кропотливый.
Очень часто под видом изделий из углеволокна продают стеклопластик и подобные композиты. Внешне они могут быть похожи, но являются менее прочными. Так что не всегда, если заявлено что изделие содержит УВ, это на самом деле так, и оно отличается повышенной прочностью.