Углеволокно — материал будущего в строительстве. Применение углеволокна в строительстве: армирование и усиление несущих конструкций Из чего делают углеволокно

Композитные материалы давно не удивляют ни строителей, ни заказчиков. Все знают об их уникальных свойствах, способности намного лучше противостоять агрессивным внешним факторам, чем традиционные материалы. Вместе с тем жизнь не стоит на месте, и каждый год в этой сфере появляются новые разработки.

Об одной из них – углебетоне – стоит рассказать подробно. Об идее его создания, свойствах и перспективах внедрения в строительство.

Углеволокно – материал давно известный и очень востребованный в разных сферах промышленного производства. Но довольно дорогой.

Процесс получения графитовых нитей заключается в многоэтапном нагреве полиакрилонитрильных или вискозных волокон в разных средах до стадии обугливания. В результате чего и появляется материал, состоящий из чистого углерода.

Свойства углеволокна

Толщина углеродной нити всего 5-10 мкм, что тоньше человеческого волоса. Состоит она из выстроенных в кристаллическую решетку цепочек атомов углерода.

• Для производства волокон, нити соединяются в жгуты, в которых их может быть до 50000.
• Какие же свойства материала привлекли к нему внимание и позволили использовать при производстве конструкций, работающих в самых сложных условиях эксплуатации?
• В первую очередь это уникальная прочность на разрыв. Она в четыре раза превышает такой же показатель для лучших марок стали.

Это интересно. Чтобы разорвать стержень из углепластика толщиной 5 мм, потребуется усилие в 2500 кг. Тогда как такой же стержень из чугуна разрушится при 150 кг.

При этом плотность углеволокна в четыре раза ниже, чем у той же стали. Соответственно и весит материал вчетверо меньше.

Где применяется углеволокно

Композитные материалы, в которых в качестве армирующего элемента используется углеволокно, применяются в машино- и самолетостроении, производстве спортивного инвентаря, строительстве.

Нас интересует именно строительство, поэтому остановимся на этой области применения:

• Здесь углеродное волокно является основой для армирующих лент, полотен и даже композитной арматуры для бетонных конструкций.
• Ленты и полотна из графитных нитей представляют собой текстильный материал особого плетения, пропитанный смолами;
• Арматура – это стержни из углеродных волокон, пропитанных затвердевшим полимерным связующим.

Для справки. Чтобы обеспечить надежное сцепление с бетоном, на поверхность стержней наносится песчаное покрытие либо формируются выступающие ребра.

Углеволоконная арматура Армирующий каркас из композитных стержней Углеволоконная армирующая сетка Усиление перекрытий с использованием сетки

Углеткань обладает очень высокой прочностью, поэтому с её помощью усиливают новые конструкции, или возвращают утраченные характеристики старым.

Все это пока имеет мало общего с углебетоном. Но именно особые свойства углеродного волокна и натолкнули немецких ученых на мысль о создании нового материала.

Что такое углебетон

Итак, ученые из дрезденского Института монолитного строительства, решили заменить металлическую арматуру в бетоне углеродистым волокном. Вернее, текстильным материалом, полученным из него путем переплетения с получением особой решетчатой структуры.

В результате они получили материал, буквально по всем параметрам превосходящий все известные сегодня виды бетонов. С намного большей прочностью, и меньшей удельной массой.

Внешне материал мало отличается от традиционного бетона Структура углебетона Строительный блок из углебетона

Несмотря на кажущуюся простоту изобретения, ученые-химики работали над ним несколько десятилетий, добиваясь, чтобы углеволоконный текстиль надежно сцеплялся с бетонной смесью. Для этого его обрабатывают специальным покрытием, состав которого пока держится в тайне изготовителем.

Технологии изготовления изделий из углебетона

На данный момент разработано два способа производства углебетонных изделий:

1. Набор слоев. Технология заключается в послойной укладке текстильного полотна на бетон с последующей заливкой. То есть, на слой смеси укладывается текстиль, заливается тонким слоем бетона, и так поочередно до получения требуемой толщины.
2. Заливка в опалубку. Традиционный способ, при котором в опалубке или форме сначала фиксируется углеволоконная арматура, затем заливается бетонная смесь.

Преимущества материала

При сравнении с железобетоном, углебетон выдает следующие преимущества:

• Он намного легче, что облегчает и ускоряет строительство;
• Углебетон прочнее в несколько раз;
• Он не трескается, а находящаяся внутри арматура не ржавеет, в то время как железобетон со временем начинает разрушаться именно по этой причине.

• Как следствие двух последних пунктов, углебетон гораздо долговечнее и надежнее аналогов с металлическим армированием.

Единственный минус материала – это его высокая стоимость. Однако если учесть, что конструкции из него получаются исключительно прочными, не требующими в течение многих лет ремонта и реконструкции, то этот минус компенсируется долговечностью эксплуатации.

Возможные сферы применения

К настоящему времени, разработчики уже нашли применение для этого уникального материала. В частности, они использовали его для реконструкции старых зданий исторической ценности в двух городах Германии. Без их помощи эти здания пришлось бы снести.

В будущем же планируется использовать углебетон в новом строительстве. Уже проведен эксперимент по возведению четырехметрового павильона из сложных элементов толщиной 4 сантиметра. Из железобетона такое здание построить невозможно, да и нужной прочностью оно отличаться не будет.

Известно, что солидный показатель прочности на растяжение, относительно собственного веса, которым обладает углепластик, являет собой уникальное достижение материала и открывает радужные перспективы использования в народном хозяйстве. Использование карбона в современном строительстве пока еще не приняло широкомасштабного использования, хотя карбон купить в настоящее время не составляет трудности. Но простые и надежные методы применения обещают быть долгими.

Углеродное волокно

Первое получение углеродных волокон в результате пиролиза вискозного волокна и использование для нитей накаливания было запатентовано Эдисоном в конце XVIII века.

Повышенный интерес к волокну появился в XX веке в результате поиска материала компонентов композита при изготовлении двигателей ракет и самолетов.

По своим качествам: термостойкости и теплоизоляционным свойствам, а также коррозионной стойкости, карбоновому волокну не было равных.

Характеристики первых образцов полиакрилонитрильных (ПАН) волокон были невысокие, но усовершенствование технологии позволило получить углеводородные волокна прочностью карбонового волокна 2070 МПа и модулем упругости 480 ГПа.

Сегодня, углепластик или карбон имеет масштабный спектр применения в строительстве:

• для системы внешнего армирования
• для ремонта несущих конструкций складов и мостов, промышленных и жилых зданий.

Использование изделий из углеродного волокна предоставляет возможность проведения строительных мероприятий, по сравнению с существующими способами реконструкции или армирования, быстро и качественно.

Но рассказ о достижениях карбона был бы неполным, если не отметить его использование при изготовлении авиационных деталей.

Достижения отечественных авиапроизводителей составляют здоровую конкуренцию компании Mitsubishi Heavy Industries, производящей детали Boeing 787.

Производство изделий из полимерного материала

Полимерный материал – карбон представляет собой тонковолоконные нити ø от 5 до 15 мкм, образованные атомами углерода и объединенными в микрокристаллы. Именно выравнивание при ориентации кристаллов придает нитям хорошую прочность и растяжение, незначительный удельный вес и коэффициент температурного расширения, химическую инертность.

Производственные процессы получения ПАН волокон связаны с технологией автоклава и последующей пропиткой для упрочнения смолой. Углеродное волокно пропитывают пластиком (препрег) и пропитывают жидким пластиком, укрепляя нити волокна под давлением.

По физическим характеристикам углеродное волокно разделено на типы:

• высокопрочные карбоновые волокна (состав 12000 непрерывных волокон)
• волокна карбонизированные углеродные общего назначения (крученая нить из 2-х и более волокон длиной до 100 мм).

Углепластиковые конструкции, армированные изделиями из материала, уменьшают вес конструкции на 30%, а химическая инертность позволяет использовать карбоновые ткани при очистке агрессивных жидкостей и газов от примесей в качестве фильтра.

Производство углеродного волокна представлено в этом видео.

Номенклатура изделий из карбонового волокна

карбоновые ткани

Главным изделием из высокомодульного волокна карбона является углеродная (карбоновая) ткань толщиной 1,6 – 5,0 мм, имеющая структуру плетеного полотняного переплетения плотностью от 520 до 560 г/м².

Карбоновые ткани, обладатели нулевого коэффициента линейного расширения, имеют высокую стойкость к деформациям и коррозии.

Характеристиками стандартных углеродных тканей являются:

Параметрами карбоновых тканей являются:

• ширина полотна 1000-2000мм
• содержание углерода 98,5%
• плотность 100-640 г/м2
• толщина 0,25-0,30 мм.

Кроме карбоновых тканей основными изделиями высокомодульного волокна являются ленты и шнуры.

Различают следующие виды плетения тканей карбоновых, которые в определенной мере влияют на подвижность изделия:

• полотняное переплетение, созданное по принципу переплетения каждой нити основы с уточной нитью 1/1, создавая лучшую прочность и подвижность ткани
• сатиновое переплетение, при котором одна нить утка переплетает 4-5 нитей основы, уменьшая возможность сильного изгиба ткани
• саржевое переплетение, у которого количество нитей основы перекрыто таким же количеством нитей утка.

Примером возможности саржевого переплетения является разноцветная карбоновая ткань. Карбоновую ткань разноцветную успешно используют при создании кевларовой одежды и вещей, отличающихся гигроскопичностью и способностью к воздухообмену. Кевлар из технических нитей с различной плотностью и структурой уже вошел в обиход авто и военной индустрии, потеснив стеклохолст и сталь.

Преимущества карбона ярко выражены в изделиях из карбонизированного углепластика.

изделия из карбонизированного волокна

Номенклатура изделий из карбонизированного волокна более расширена и представлена:

• углеродной тканью карбонизированной RK-300 (заменитель стеклоткани)
• тканью с односторонним алюминиевым покрытием RK-300AF (улучшенные свойства за счет термоэкрана позволяют использовать карбон в качестве теплоизоляционного обмоточного материала)
• углеродными конструкционными тканями 1k, 3k, 6k, 12k, 24k, 48k
• карбонизированными лентами и шнурами.

Тканый холст из карбонового или карбонизированного волокна отлично выполняет функции армирования, независимо от типа наполнителя.

Кроме того, с использованием карбонизированных волокон изготавливают экраны, поглощающие ЭМИ, термопары и электроды, а также радиотехнические изделия.

производство бассейнов с карбоновым усилением

При производстве бассейнов с усилением из карбона в технологию вводят этап добавления в керамический слой карбоновое усиление, древесную бальсу и вспененный каучук. Основанием создания двойного каркаса чаши бассейнов с карбоновым усилением послужили построенные эпюры нагрузки и допустимые напряжения на материал.

Сделаем, вывод, что набирающая обороты популярность использования карбонового волокна в перспективе сможет вытеснить с рынка армирующие материалы.

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.

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.

Углепластик - это композиционный многослойный материал, представляющий собой полотно из углеродных волокон в оболочке из термореактивных полимерных (чаще эпоксидных) смол, Carbon-fiber-reinforced polymer .

Международное наименование Carbon — это углерод, из которого и получаются карбоновые волокна carbon fiber.

Но в настоящее время к карбонам относят все , в которых несущей основой являются углеродные волокна, а вот связующее сможет 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.

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:

• в самолетостроении,
• для спортивного инвентаря: клюшек, шлемов, велосипедов.
• удочек,
• медицинской техники и др.

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 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 плотности, температуры плавления и прочностных характеристик.

Еще один элемент, используемый для армирования вместе с углеродными нитями - . Это те самые желтые нити, которые можно видеть в некоторых разновидностях углепластика. Некоторые недобросовестные производители выдают за кевлар цветное стекловолокно, окрашенные волокна вискозы, полиэтилена, адгезия которых со смолами гораздо хуже, чем у углепластика, да и прочность на разрыв в разы меньше.

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 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, энергоемкоймногоэтапной технологией, дорогими смолами и более дорогостоящим оборудованием (автоклав). Но и прочность с эластичностью при этом получаются выше наряду со множеством других неоспоримых достоинств:

• легче стали на 40%, легче алюминия на 20% (1,7 г/см3 — 2,8 г/см3 — 7,8 г/см3),
• карбон из углерода и кевлара немного тяжелее, чем из углерода и резины, но намного прочнее, а при ударах трескается, крошится, но не рассыпается на осколки,
• высокая термостойкость: карбон сохраняет форму и свойства до температуры 2000 ○С.
• обладает хорошими виброгасящими свойствами и теплоемкостью,
• коррозионная стойкость,
• высокий предел прочности на разрыв и высокий предел упругости,
• эстетичность и декоративность.

Но по сравнению с металлическими и деталями из стекловолокна карбоновые детали имеют недостатки:

• чувствительность к точечным ударам,
• сложность реставрации при сколах и царапинах,
• выцветание, выгорание под воздействием солнечных лучей, для защиты покрывают лаком или эмалью,
• длительный процесс изготовления,
• в местах контакта с металлом начинается коррозия металла, поэтому в таких местах закрепляют вставки из стекловолокна,
• сложность утилизации и повторного использования.

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 или естественным путем или ускоряется нагревом. 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 - 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 предпреги 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.

Углепластик своими руками

Изделия на основе углеволокна можно формовать и самим, что уже давно и успешно применяется при ремонте велосипедов, спортивного инвентаря, тюнинге автомобилей. Возможность экспериментировать с наполнителями для смолы, со степенью ее прозрачности предоставляет широкое поле для творчества любителям автотюнинга карбоном. Подробнее об основных методах изготовлении деталей из карбона можно почитать .

Как следует из описанной выше технологии, для формования необходимо:

• форма-матрица,
• углеродное полотно,
• смазка для формы для легкого съема готовой заготовки,
• смола.

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.

В общих чертах процесс изготовления углепластика своими руками выглядит так:

1. Антиадгезивом смазывается форма.
2. После его высыхания наносится тонкий слой смолы, на который прикатывается или прижимается углеткань, для выхода пузырьков воздуха.
3. Затем наносится еще один слой смолы для пропитки. Можно нанести несколько слоев ткани и смолы, в зависимости от требуемых параметров изделия.
4. Смола может полимеризироваться на воздухе. Это происходит обычно в течение 5 дней. Можно поместить заготовку в термошкаф, нагретый до температуры 140 – 180 ◦С, что значительно ускорит процесс полимеризации.

Затем изделие извлекаем из формы, шлифуем, полируем, покрываем лаком, гелькоутом или красим.

Надеемся, вы нашли исчерпывающий ответ на вопрос «Что такое карбон»?

Ирина Химич, технический консультант

»

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 , выступающего в качестве главного компонента. Следует отметить: символ «Р» аббревиатуры CFRP допускает также расшифровку «пластик», а не только «полимер».

Композиты CFRP, как правило, создаются с применением термореактивных смол:

• полиэфирная смола,
• виниловый эфир.

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.