Материал обладает высокими антикоррозийными свойствами и не ржавеет. Это делает его привлекательной альтернативой стальным изделиям в сложных эксплуатационных условиях. Его можно применять практически в любых сферах, поскольку он обычно хорошо переносит воздействие ультрафиолетовых лучей.
Карбон: свойства, применение, плюсы и минусы, особенности
Карбон — это чрезвычайно прочный полимерный композитный материал, состоящий из эпоксидной или другой смолы и армированных углеродными волокнами. Его также называют углепластиком. Основные характеристики композитов включают высокую прочность при минимальной толщине и легком весе.
Производственный процесс данного материала имеет свои сложности, особенно из-за армирующего компонента — углеродного волокна. Углеродные волокна представляют собой чрезвычайно тонкие нити, которые почти на 99% состоят из атомов углерода. Они образуются в результате сложных процессов термического разложения органических соединений, при этом температура постепенно увеличивается. В результате остаётся лишь углерод, который приобретает структуру, подобную графиту.
Диаметр нити из углеродного волокна варьируется от 0,005 до 0,10 мм, что делает их значительно тоньше человеческого волоса. Хотя каждое волокно очень легко сломать в отдельности, объединённые в пучки они проявляют высокую прочность и трудны для разрыва. Эти волокна сплетаются в ткани и используются в производстве различных углеродных изделий.
Углеродные волокна служат важным элементом, который усиливает содержание углерода. Из них создаются разнообразные текстильные и нетекстильные материалы. Эти ткани обрабатываются полимерной смолой, чаще всего эпоксидной. Слои углеродных волокон соединены между собой, что приводит к тому, что после затвердевания смолы композитный материал приобретает прочность, гибкость и стойкость к разрушению. В отношении этих характеристик только немногие композитные материалы могут сравниться с углеродными аналогами, однако их параметры менее впечатляющи по сравнению со стеклопластиком и другими подобными изделиями.
Области применения
Изначально уголь использовался исключительно для создания легких элементов в спортивных автомобилях и космических кораблях. Однако со временем стоимость его производства значительно снизилась, что позволило применять его и для других целей.
В настоящее время он применяется для изготовления:
- Компонентов для авиации.
- Рыболовных удочек.
- Хоккейных клюшек, шлемов и прочего спортивного оборудования.
Каждый год в мире производится примерно от 40 000 до 45 000 тонн углерода. Значительная доля этого объема, а именно 41%, используется в аэрокосмической и военной промышленности. Углерод применяют для создания легких и прочных материалов, необходимых для различных снаряжений и аксессуаров оружия, таких как кнопки и рукоятки. Интересно, что 17% композитных материалов находит применение в спортивном оборудовании, тогда как лишь 12% идет на нужды строительной сферы. Приблизительно 5% углерода используется в автомобильной индустрии, а 2-3% — в производстве опалубки.
Технологический процесс изготовления изделий из углеродного волокна
Для производства углеродных волокон необходимо пропитать ткани из углеродного волокна специальными смолами и соединить их между собой. Существует три основных метода выполнения этой задачи.
Наиболее распространенным подходом является использование простейшего варианта. Он заключается в том, что холст прикрепляется к выбранной поверхности. После этого верхний слой пропитывается смолой, а затем наклеивается последующий слой. Таким образом, достигается необходимое число слоев для реализации нужного уровня прочности материала и его желаемой толщины. Этот способ часто применяют в домашних условиях, так как он не требует наличия специализированных инструментов или оборудования. Смола аккуратно наносится на углеродное волокно с помощью кисти и хорошо впитывается в материал. Следует отметить, что данный процесс достаточно сложен и занимает много времени. Порой требуется склеить четыре слоя холста, чтобы получить углеродный слой толщиной всего 1 мм.
Изделия, созданные из углеродного волокна, зачастую изготавливаются с использованием технологии прессования. Это способствует лучшей циркуляции воздуха между слоями материала. В результате получается более прочный и долговечный конечный продукт. Одним из дополнительных плюсов процесса прессования является возможность нагрева композитного материала для ускорения полимеризации смолы. При применении этой технологии композит постоянно сохраняет свою форму до момента полного затвердевания. Данная методика значительно повышает эффективность производства.
Цилиндрические изделия из углеродного волокна можно изготовить с использованием метода намотки. Эта методика подходит как для промышленного, так и для индивидуального производства. Она применяется для создания удочек, спиннингов, велосипедных рам и многих других изделий. Углеродное волокно оборачивается в трубчатую форму и пропитывается смолой. Благодаря быстрой наслоенности множества слоев достигается высокая прочность конечного продукта. Трубка, на которую все это первоначально наматывалось, позже удаляется. Для того чтобы предотвратить сцепление, перед началом процесса используется специальное разделительное средство, которое способствует избеганию прилипания смолы.
Преимущества угля
Углеродное волокно стало популярным материалом благодаря своим выдающимся характеристикам.
Изделия из углеродного волокна обладают весом, который не можно назвать легким, однако они значительно легче металлических аналогов того же объема. К примеру, сталь оказывается на 40% тяжелее, а алюминий — на 20% легче. Примечательной чертой углеродного волокна является его высокая прочность. Его возможно применять для производства тонких конструкций и в тех областях, где использование стали с аналогичной толщиной непрактично.
Композиты на основе углепластика представляют собой уникальные решения, однако существуют веские причины, по которым углеродные волокна не нашли широкого применения в гражданском строительстве.
Содержание
Ключевым элементом углепластика являются углеродные волокна. Эти нити имеют очень малый диаметр (примерно 0,005-0,010 мм) и характеризуются хрупкостью, однако обладают высокой прочностью на разрыв. Из данных волокон изготавливают ткани, которые могут быть сотканы в различных рисунках, таких как елочка, желтая конопляная ткань и другие.
Чтобы увеличить прочность углеродной ткани, волокна накладываются слоями под разнообразными углами относительно направления плетения. Слои связываются между собой с помощью эпоксидной смолы.
Процесс получения углеродных волокон обычно включает термическую обработку как химических, так и натуральных органических волокон, в результате которой в материале остаются преимущественно атомы углерода. Этот процесс термической обработки включает несколько этапов.
- Первый этап — окисление исходных волокон (например, полиакрилонитрила, вискозы) на воздухе при температуре 250°C в течение 24 часов. В ходе этого окислительного процесса формируется лестничная структура.
- После этого следует этап карбонизации, который включает в себя нагрев волокон до температур в диапазоне 800-1500 °C в атмосфере азота или аргона. Данный процесс способствует образованию графитоподобной структуры.
- Завершением термообработки является графитизация, происходящая при температурах от 1600 до 3000 °C. Эта стадия также проходит в инертной среде, и в результате содержания углерода в волокнах может достигать 99%.
Помимо традиционных органических волокон, таких как вискоза и полиакрилонитрил, углеродные волокна могут быть созданы из фенольных смол, лигнина и специализированных волокон на основе углерода и нефтяной смолы. Стоит отметить, что арматура из углеродного волокна обладает большей прочностью по сравнению со стеклопластиковыми аналогами, однако ее стоимость значительно выше.
Основная причина высокой стоимости углеродных волокон заключается в сложном процессе их производства и более дорогих материалах, которые используются для получения этих волокон. Например, для соединения слоев применяется более дорогая и качественная смола по сравнению со стекловолокном, а производство компонентов требует использования дорогостоящего оборудования, такого как автоклавы.
К недостаткам углеродных волокон относится их уязвимость к «коррозии». Например, капот из углеродного волокна может сильно повредиться и прийти в негодность после регулярных ударов мелкими камнями. В отличие от металлических изделий или деталей из стекловолокна, компоненты из углеродного волокна не поддаются восстановлению до своего первоначального состояния. Поэтому даже небольшое повреждение приводит к необходимости полной замены всей детали. Кроме того, изделия из углеродного волокна могут выцветать под воздействием ультрафиолетового излучения солнца.
Когда приходит время смены компонента, можно выполнить ряд достаточно простых действий для переработки пластика, стали и алюминия. Однако углеродные волокна перерабатывать сложнее и дорого, поэтому их вторичная обработка вызывает сомнения.
Производственные процессы
Достоверность фактов и данных, представленных в этой статье, требует проверки. Обсуждение должно содержать соответствующие пояснения.
- Прессование. Углеродная ткань помещается в форму, которую заранее обрабатывают антипригарным средством (например, мылом, воском, воском в бензине, Cyatim-221 или органической кремнеземной смазкой). Ткань пропитывают смолой, после чего излишки удаляются под вакуумом (вакуумное формование) либо специальным давлением. Полимеризация смолы происходит иногда с нагреванием. После завершения этого процесса изделие становится готовым.
- Контактная формовка. Рассмотрим процесс на примере бампера: сначала создается оригинальный металлический бампер, который обрабатывается разделительным составом. После этого на него наносится монтажная пена, состоящая из гипса или алебастра. Когда пена затвердеет, её удаляют, формируя матрицу. Затем на матрицу вновь накладывается разделительное средство, после чего укладывается ткань. Ткань может быть предварительно пропитана раствором или же пропитываться кистью или валиком непосредственно в процессе формования. Далее производится прокатка ткани для устранения пузырьков воздуха и достижения необходимой плотности. После этого происходит этап отверждения: при горячем отверждении — в духовке, а если нет возможности, то при комнатной температуре около 20 °C. В конце бампер снимается с матрицы, шлифуется и, при необходимости, окрашивается.
Цилиндрические изделия, а также трубы изготавливаются при помощи намоточного метода. Форма использованного материала включает пряжу, ленты и ткани. В качестве связующего вещества используются эпоксидные или полиэфирные смолы. Производство форм из углеродного волокна в домашних условиях возможно, если у человека имеются необходимые навыки и оборудование.
Области применения
Углепластики находят широкое применение для создания легких и прочных компонентов, заменяя металлические изделия во многих сферах, от космических технологий до рыбалки:
- ракетно-космическая отрасль,
- авиация (производство самолетов и вертолетов, включая воздушные винты),
- судостроение (корабли и спортивные лодки),
- автомобильная промышленность (например, бамперы, пороги, двери, крышки двигателей), мотоциклы, болиды Формулы 1: кокпиты и обтекатели), а также для интерьерного дизайна,
- научные исследования и разработки,
- арматура для железобетонных конструкций,
- спортивное снаряжение (коньки, велосипеды, футбольные и хоккейные бутсы, лыжное оборудование (лыжи, крепления, палки, ботинки), теннисные ракетки, ракетки для настольного тенниса, столы для настольного тенниса, лезвия для коньков, стрелы, аксессуары для виндсерфинга, моноблейды), весла
- медицинские приборы,
- рыболовные принадлежности (удочки),
- профессиональное фото- и видеооборудование,
- бытовые устройства (корпуса телефонных аппаратов, ноутбуки, ручки складных ножей и т.д.)
- моделирование (струны для моделей),
- изготовление индивидуальной обуви (особенно для спортивных активностей).
