Физические свойства углеродного волокна сравнение. Углепластики: изготовление, свойства и применение
Углеродное волокно - материал, состоящий из тонких нитей диаметром от 3 до 15 микрон, образованных преимущественно атомами углерода. Атомы углерода объединены в микроскопические кристаллы, выровненные параллельно друг другу. Выравнивание кристаллов придает волокну большую прочность на растяжение. Углеродные волокна характеризуются высокой силой натяжения, низким удельным весом, низким коэффициентом температурного расширения и химической инертностью.
Производством углеродного волокна в России занимается компания ООО «Композит-Волокно», входящее в холдинг "Композит"
Углеродное волокно является основой для производства (или , карбонопластиков, от "carbon", "carbone" - углерод). Углепластики - полимерные композиционные материалы из переплетенных нитей углеродного волокна, расположенных в матрице из полимерных (чаще эпоксидных) смол.
Углеродные композиционные материалы отличаются высокой прочностью, жесткостью и малой массой, часто прочнее стали, но гораздо легче.
Производство полимерных материалов
Наше предложение
Производство полимерных материалов требует значительного опыта. Для достижения принятых стандартов качества необходимы не только квалифицированные сотрудники, но и налаженная технология изготовления изделий. По этим причинам все представленные имеют высокое качество, гарантируют достижение поставленных перед ними задач и обладают регулярными положительными отзывами.
В каталоге вы сможете подобрать изделия для таких сфер:
- машиностроение;
- космическая и авиационная промышленность;
- ветроэнергетика;
- строительство;
- спортивный инвентарь;
- товары народного потребления
Наше производство изделий из полимерных материалов может обеспечить вас тем количеством изделий, которое вам будет необходимо. Отсутствуют ограничения по объему заказа. При этом вы можете рассчитывать на полную консультацию от профессионалов и оперативное выполнение поставленных задач. Производство полимерных материалов в России, которое мы осуществляем, дает возможность приобретения необходимых единиц каталога по оптовой системе. Изучите наш каталог, а также, если у вас остались какие-либо вопросы - не откладывайте их на потом и обращайтесь прямо сейчас в нашу службу поддержки.
Почему цена на углеволокно так высока?
Большие затраты энергии - основная причина высокой себестоимости углеродного волокна. Впрочем, это с лихвой компенсируется впечатляющим результатом. Даже не верится, что все начиналось с «мягкого и пушистого» материала, содержащегося в довольно прозаических вещах и известных не только сотрудникам химических лабораторий. Белые волокна - так называемые сополимеры полиакрилонитрила - широко используются в текстильной промышленности. Они входят в состав плательных, костюмных и трикотажных тканей, ковров, брезента, обивочных и фильтрующих материалов. Иными словами, сополимеры полиакрилонитрила присутствуют везде, где на прилагающейся этикетке упомянуто акриловое волокно. Некоторые из них «несут службу» в качестве пластмасс. Наиболее распространенный среди таковых - АБС-пластик. Вот и получается, что «двоюродных родственников» у карбона полным-полно. Карбоновая нить имеет впечатляющие показатели по усилию на разрыв, но ее способность «держать удар» на изгиб «подкачала». Поэтому, для равной прочности изделий, предпочтительнее использовать ткань. Организованные в определенном порядке волокна «помогают» друг другу справиться с нагрузкой. лишены такого преимущества. Однако, задавая различную ориентацию слоев, можно добиться искомой прочности в нужном направлении, значительно сэкономить на массе детали и излишне не усиливать непринципиальные места.
Что такое карбоновая ткань?
Для изготовления карбоновых деталей применяется как просто углеродное волокно с хаотично расположенными и заполняющими весь объем материала нитями, так и ткань (Carbon Fabric). Существуют десятки видов плетений. Наиболее распространены Plain, Twill, Satin. Иногда плетение условно - лента из продольно расположенных волокон «прихвачена» редкими поперечными стежками только для того, чтобы не рассыпаться. Плотность ткани, или удельная масса, выраженная в г/м2, помимо типа плетения зависит от толщины волокна, которая определяется количеством угленитей. Данная характеристика кратна тысячи. Так, аббревиатура 1К означает тысячу нитей в волокне. Чаще всего в автоспорте и тюнинге применяются ткани плетения Plain и Twill плотностью 150–600 г/м2, с толщиной волокон 1K, 2.5K, 3К, 6K, 12K и 24К. Ткань 12К широко используется и в изделиях военного назначения (корпуса и головки баллистических ракет, лопасти винтов вертолетов и подводных лодок, и пр.), то есть там, где детали испытывают колоссальные нагрузки.
Бывает ли цветной карбон? Желтый карбон бывает?
Часто от производителей тюнинговых деталей и, как следствие, от заказчиков можно услышать про «серебристый» или «цветной» карбон. «Серебряный» или «алюминиевый» цвет - всего лишь краска или металлизированное покрытие на стеклоткани. И называть карбоном такой материал неуместно - это стеклопластик. Отрадно, что и в данной области продолжают появляться новые идеи, но по характеристикам стеклу с углем углеродным никак не сравниться. Цветные же ткани чаще всего выполнены из кевлара. Хотя некоторые производители и здесь применяют стекловолокно; встречается даже окрашенные вискоза и полиэтилен. При попытке сэкономить, заменив кевлар на упомянутые полимерные нити, ухудшается адгезия такого продукта со смолами. Ни о какой прочности изделий с такими тканями не может быть и речи. Отметим, что «Кевлар», «Номекс» и «Тварон» - патентованные американские марки полимеров. Их научное название «арамиды». Это родственники нейлонов и капронов. В России есть собственные аналоги - СВМ, «Русар», «Терлон» СБ и «Армос». Но, как часто бывает, наиболее «раскрученное» название - «Кевлар» - стало именем нарицательным для всех материалов.
Что такое кевлар и какие у него свойства?
По весовым, прочностным и температурным свойствам кевлар уступает углеволокну. Способность же кевлара воспринимать изгибающие нагрузки существенно выше. Именно с этим связано появление гибридных тканей, в которых карбон и кевлар содержатся примерно поровну. Детали с угольно-арамидными волокнами воспринимают упругую деформацию лучше, чем карбоновые изделия. Однако есть у них и минусы. Карбон-кевларовый композит менее прочен. Кроме того, он тяжелее и «боится» воды. Арамидные волокна склонны впитывать влагу, от которой страдают и они сами, и большинство смол. Дело не только в том, что «эпоксидка» постепенно разрушается водно-солевым раствором на химическом уровне. Нагреваясь и охлаждаясь, а зимой вообще замерзая, вода механически расшатывает материал детали изнутри. И еще два замечания. Кевлар разлагается под воздействием ультрафиолета, а формованный материал в смоле утрачивает часть своих замечательных качеств. Высокое сопротивление разрыву и порезам отличают кевларовую ткань только в «сухом» виде. Потому свои лучшие свойства арамиды проявляют в других областях. Маты, сшитые из нескольких слоев таких материалов, - основной компонент для производства легких бронежилетов и прочих средств безопасности. Из нитей кевлара плетут тонкие и прочные корабельные канаты, делают корд в шинах, используют в приводных ремнях механизмов и ремнях безопасности на автомобилях.
А можно обклеить деталь карбоном?
Непреодолимое желание иметь в своей машине детали в черно-черную или черно-цветную клетку привели к появлению диковинных суррогатов карбона. Тюнинговые салоны обклеивают деревянные и пластмассовые панели салонов углеродной тканью и заливают бесчисленными слоями лака, с промежуточной ошкуриванием. На каждую деталь уходят килограммы материалов и масса рабочего времени. Перед трудолюбием мастеров можно преклоняться, но такой путь никуда не ведет. Выполненные в подобной технике «украшения» порой не выдерживают температурных перепадов. Со временем появляется паутина трещин, детали расслаиваются. Новые же детали неохотно встают на штатные места из-за большой толщины лакового слоя.
Как производятся карбоновые и/или композитные изделия?
Технология производства настоящих основывается на особенностях применяемых смол. Компаундов, так правильно называют смолы, великое множество. Наиболее распространены среди изготовителей стеклопластиковых обвесов полиэфирная и эпоксидная смолы холодного отверждения, однако они не способны полностью выявить все преимущества углеволокна. Прежде всего, по причине слабой прочности этих связующих компаундов. Если же добавить к этому плохую стойкость к воздействию повышенных температур и ультрафиолетовых лучей, то перспектива применения большинства распространенных марок весьма сомнительна. Сделанный из таких материалов карбоновый капот в течение одного жаркого летнего месяца успеет пожелтеть и потерять форму. Кстати, ультрафиолет не любят и «горячие» смолы, поэтому, для сохранности, детали стоит покрывать хотя бы прозрачным автомобильным лаком.
Компаунды холодного твердения.
«Холодные» технологии мелкосерийного выпуска малоответственных деталей не позволяют развернуться, поскольку имеют и другие серьезные недостатки. Вакуумные способы изготовления композитов (смола подается в закрытую матрицу, из которой откачан воздух) требуют продолжительной подготовки оснастки. Добавим к этому и перемешивание компонентов смолы, «убивающее» массу времени, что тоже не способствует производительности. Говорить о ручной выклейке вообще не стоит. Метод же напыления рубленого волокна в матрицу не позволяет использовать ткани. Собственно, все идентично стеклопластиковому производству. Просто вместо стекла применяется уголь. Даже самый автоматизированный из процессов, который к тому же позволяет работать с высокотемпературными смолами (метод намотки), годится для узкого перечня деталей замкнутого сечения и требует очень дорогого оборудования.
Эпоксидные смолы горячего отверждения прочнее, что позволяет выявить качества в полной мере. У некоторых «горячих» смол механизм полимеризации при «комнатной» температуре запускается очень медленно. На чем, собственно, и основана так называемая технология препрегов, предполагающая нанесение готовой смолы на или углеволокно задолго до процесса формования. Приготовленные материалы просто ждут своего часа на складах.
В зависимости от марки смолы время жидкого состояния обычно длится от нескольких часов до нескольких недель. Для продления сроков жизнеспособности, приготовленные препреги, иногда хранят в холодильных камерах. Некоторые марки смол «живут» годами в готовом виде. Прежде чем добавить отвердитель, смолы разогревают до 50–60 C, после чего, перемешав, наносят посредством специального оборудования на ткань. Затем ткань прокладывают полиэтиленовой пленкой, сворачивают в рулоны и охлаждают до 20–25 C. В таком виде материал будет храниться очень долго. Причем остывшая смола высыхает и становится практически не заметной на поверхности ткани. Непосредственно при изготовлении детали нагретое связующее вещество становится жидким как вода, благодаря чему растекается, заполняя весь объем рабочей формы и процесс полимеризации ускоряется.
Компаунды горячего твердения.
«Горячих» компаундов великое множество, при этом у каждой собственные температурные и временные режимы отверждения. Обычно, чем выше требуемые показания термометра в процессе формовки, тем прочнее и устойчивее к нагреву готовое изделие. Исходя из возможностей имеющегося оборудования и требуемых характеристик конечного продукта, можно не только выбирать подходящие смолы, но делать их на заказ. Некоторые отечественные заводы-изготовители предлагают такую услугу. Естественно, не бесплатно.
Препреги как нельзя лучше подходят для производства карбона в автоклавах. Перед загрузкой в рабочую камеру нужное количество материала тщательно укладывается в матрице и накрывается вакуумным мешком на специальных распорках. Правильное расположение всех компонентов очень важно, иначе не избежать нежелательных складок, образующихся под давлением. Исправить ошибку впоследствии будет невозможно. Если бы подготовка велась с жидким связующим, то стала бы настоящим испытанием для нервной системы рабочих с неясными перспективами успеха операции.
Процессы, происходящие внутри установки, незатейливы. Высокая температура расплавляет связующее и «включает» полимеризацию, вакуумный мешок удаляет воздух и излишки смолы, а повышенное давление в камере прижимает все слои ткани к матрице. Причем происходит все одновременно.
С одной стороны, одни преимущества. Прочность такого практически максимальна, объекты самой затейливой формы делаются за один «присест». Сами матрицы не монументальны, поскольку давление распределено равномерно во всех направлениях и не нарушает геометрию оснастки. Что означает быструю подготовку новых проектов. С другой стороны, нагрев до нескольких сотен градусов и давление, порой доходящее до 20 атм., делают автоклав очень дорогостоящим сооружением. В зависимости от его габаритов цены на оборудование колеблются от нескольких сотен тысяч до нескольких миллионов долларов. Прибавим к этому нещадное потребление электроэнергии и трудоемкость производственного цикла. Результат - высокая себестоимость продукции. Есть, впрочем, технологии подороже и посложнее, чьи результаты впечатляют еще больше. Углерод-углеродные композиционные материалы (УУКМ) в тормозных дисках на болидах Формулы-1 и в соплах ракетных двигателей выдерживают чудовищные нагрузки при температурах эксплуатации, достигающих 3000 C. Эту разновидность карбона получают путем графитизации термореактивной смолы, которой пропитывают спрессованное углеродное волокно заготовки. Операция чем-то похожа на производство самого углеволокна, только происходит она при давлении 100 атмосфер. Да, большой спорт и военно-космическая сфера деятельности способны потреблять штучные вещи по «заоблачным» ценам. Для тюнинга и, тем более, для серийной продукции такое соотношение «цены-качества» неприемлемо.
Если решение найдено, оно выглядит настолько простым, что удивляешься: «Что же мешало додуматься раньше?». Тем не менее, идея разделить процессы, происходящие в автоклаве, возникла спустя годы поиска. Так появилась и стала набирать обороты технология, сделавшая горячее формование карбона похожим на штамповку. Препрег готовится в виде сэндвича. После нанесения смолы ткань с обеих сторон покрывается либо полиэтиленовой, либо более термостойкой пленкой. «Бутерброд» пропускается между двух валов, прижатых друг к другу. При этом лишняя смола и нежелательный воздух удаляются, примерно так же, как и при отжиме белья в стиральных машинах образца 1960-х годов. В матрицу препрег вдавливается пуансоном, который фиксируется резьбовыми соединениями. Далее вся конструкция помещается в термошкаф.
Тюнинговые фирмы изготавливают матрицы из того же карбона и даже прочных марок алебастра. Гипсовые рабочие формы, правда, недолговечны, но пара-тройка изделий им вполне по силам. Более «продвинутые» матрицы делаются из металла и иногда оснащаются встроенными нагревательными элементами. В серийном производстве они оптимальны. Кстати, метод подходит и для некоторых деталей замкнутого сечения. В этом случае легкий пуансон из вспененного материала остается внутри готового изделия. Антикрыло Mitsubishi Evo - пример такого рода.
Механические усилия заставляют думать о прочности оснастки, да и система матрица - пуансон требует либо 3D-моделирования, либо модельщика экстра-класса. Но это, все же, в сотни раз дешевле технологии с автоклавом.
Алексей Романов редактор журнала «ТЮНИНГ Автомобилей»
Свойства углепластиков зависят от свойств углеродных волокон, которые в свою очередь определяются условиями пиролиза органических волокон (гидратцеллюлозных, полиакрилонитрильных, волокон из мезофазных пеков), используемых в настоящее время в качестве сырья для изготовления углеродных волокон.
Механические свойства. Модуль упругости при растяжении (вдоль волокон) высококачественных углеродных волокон высокопрочного типа (на основе ПАН) составляет 200 -- 250 ГПа, высокомодульного типа (на основе ПАН) - около 400 ГПа, а углеродных волокон на основе жидкокристаллических пеков: 400 - 700 ГПа. При одной и той же температуре прогрева углеродные волокна на основе жидкокристаллических пеков имеют больший модуль упругости при растяжении, чем волокна на основе ПАН . Модуль упругости при растяжении поперек волокон (модуль жесткости при изгибе) снижается с ростом модуля упругости при растяжении вдоль волокон. Для углеродных волокон на основе ПАН он выше, чем для волокон на основе жидкокристаллических пеков. На поперечный модуль упругости также влияет ориентация атомных плоскостей в сечении углеродного волокна. Прочность при растяжении вдоль оси высокопрочных углеродных волокон на основе ПАН составляет 3,0-3,5 ГПа, волокон с высоким удлинением ~ 4,5 ГПа и высокомодульных волокон - 2,0-2,5 ГПа. Высокотемпературная обработка волокон второго типа позволяет получить высокомодульные волокна с прочностью при растяжении приблизительно 3 ГПа. Прочность волокон на основе жидкокристаллических пеков обычно равна 2,0 ГПа. Теоретическое значение прочности при растяжении кристаллов графита в направлении атомных плоскостей решетки составляет 180 ГПа. Измеренная экспериментально прочность при растяжении углеродных волокон высокопрочного и высокомодульного типа на основе ПАН на участке длиной 0,1 мм равна 9-10 ГПа.. Эта величина составляет 1/20 теоретического значения и 1/2 прочности нитевидных монокристаллов графита. Для углеродных волокон на основе жидкокристаллических пеков измеренная аналогичным образом прочность равна 7 ГПа. В таблицах 17.1, 17.2 приведены показатели механических свойств наиболее распространенных углеродных волокон .
Меньшая прочность промышленно производимых углеродных волокон связана с тем, что они не являются монокристаллами и в их микроскопической структуре имеют место значительные отклонения от регулярности. Свойства углеродных волокон можно значительно улучшить вплоть до разрушающего удлинения 2% и прочности 5 ГПа и выше .
Таблица 17.1 - Механические свойства УВ .
Таблица 17.2 - Физико-механические свойства углеродных волокон .
Как видно из таблиц, УВ обладают низкой плотностью и высокими прочностью при растяжении и модулем упругости. Следовательно, углеродные волокна имеют высокую прочность и удельный модуль упругости. Наиболее характерной особенностью углеродных волокон является их высокий удельный модуль упругости. Это позволяет с успехом использовать углеродные волокна для армирования материалов конструкционного назначения. Сравнивая высокомодульные волокна с низкомодульными сходного химического состава, следует отметить, что с увеличением модуля упругости и плотности углеродных волокон уменьшаются объем закрытых пор, средний диаметр и удельная поверхность, улучшается его электропроводность.
Электрические свойства. Возрастание модуля упругости по мере уменьшения угла текстуры означает, что структура углеродного волокна приближается к структуре графита, обладающего металлической проводимостью в направлении гексагонального слоя . Углеродные волокна, полученные при температуре не ниже 1000°С, обладают высокой электропроводностью (более 102 Ом -1 -см -1). Варьируя модуль упругости, а следовательно, и электрические свойства углеродного наполнителя, можно регулировать электрические свойства композиционного материала. В процессе превращения органических волокон в УВ осуществляется переход через все зоны проводимости . Исходные волокна являются диэлектриками, в процессе карбонизации электрическое сопротивление резко снижается, затем с повышением температуры обработки выше 1000 о С оно, хотя и продолжает уменьшаться, но менее интенсивно . Карбонизованные волокна по типу проводимости относятся к полупроводникам, а графитированные охватывают область от полупроводников до проводников, приближаясь по мере повышения температуры обработки к последним. Для углеродных волокон температурная зависимость проводимости определяется конечной температурой их обработки, а следовательно, концентрацией электронов и размерами кристаллитов.
Следует отметить , что чем выше температура карбонизации, тем меньше температурный коэффициент электропроводности. Углеродные волокна обладают дырочной и электронной проводимостью. При повышении температурной обработки, сопровождающейся совершенствованием структуры и увеличением числа электронов, запретная зона проводимости уменьшается, поэтому возрастает электропроводность, которая для волокон, обработанных при высокой температуре, по абсолютному значению приближается к электропроводности проводников.
Термические свойства. Одним из проявлений особенностей анизотропной структуры высокомодульных углеродных волокон является отрицательный коэффициент термического линейного расширения вдоль оси волокна, повышающий уровень остаточных напряжений в высокомодульных волокнитах . У волокна с большим модулем упругости коэффициент выше по абсолютной величине и в более широком интервале температур имеет отрицательное значение. Так, у углеродных волокон, изготовленных из ПАН-волокна (рисунок 17.11), максимальное (по абсолютной величине) значение коэффициента наблюдается при 0°С, а при повышении температуры его знак меняется на обратный (при температуре выше 360°С у волокна с Е = 380 ГПа и выше 220 °С у волокна с Е = 280 ГПа. Следует отметить, что кривая на рисунке 3.11 хорошо совпадает с аналогичной зависимостью коэффициента термического расширения решетки пиролитического графита вдоль оси а .
Благодаря высокой энергии связи С-С углеродного волокна остаются в твердом состоянии при очень высоких температурах, придавая композиционному материалу высокую температуростойкость. Кратковременная прочность при растяжении высокомодульного волокна, содержащего 99,7 вес. % углерода, остается практически неизменной в нейтральной и восстановительной средах до 2200 °С. Не изменяется она и при низких температурах. В окислительной среде прочность углеродного волокна сохраняется неизменной до 450°С. Поверхность волокна предохраняют от окисления кислородостойкими защитными покрытиями из тугоплавких соединении или термостойких связующих; наибольшее распространение получили пиролитические покрытия.
Рисунок 17.11 - Зависимость коэффициента термического линейного расширения
вдоль волокна для углеродных волокон с модулем упругости 380 (1)
и 280 ГПа (2) от температуры..
Химические свойства . Углеродные волокна отличаются от других наполнителей химической инертностью . Химическая стойкость углеродных волокон зависит от температуры конечной обработки, структуры и поверхности волокна, типа и чистоты исходного сырья. После выдержки в течение 257 суток в агрессивных жидкостях высокомодульных волокон, полученных из ПАН-волокна, при комнатной температуре заметное снижение прочности при растяжении наблюдается лишь при действии ортофосфорной, азотной и серной кислот (таблица 17.3).
Таблица 17.3 - Химическая стойкость в агрессивных средах высокомодульного УВ на основе ПАН (продолжительность воздействия 257 суток) .
Модуль упругости образцов изменяется только под влиянием 50%-ного раствора азотной кислоты. Прочность стеклянного волокна щелочного состава после выдержки в течение 240 ч в 5%-ных растворах серной или азотной кислот уменьшается на 41 и 39 % соответственно. При повышении температуры стойкость углеродного волокна к агрессивным средам уменьшается.
Особенно легко оно окисляется в растворах азотной кислоты. Раствор гидрохлорида натрия окисляет углерод, вследствие чего уменьшается диаметр волокна, а его механические свойства даже несколько улучшаются .
По степени активности по отношению к высокомодульному углеродному волокну, полученному из ПАН-волокна, кислоты можно расположить в следующий ряд: НNО 3 >Н 2 S0 4 >Н з Р0 4 >НС1. Уксусная и муравьиная кислоты и растворы щелочей любых концентраций и при любой температуре не разрушают углеродные волокна . Химическая стойкость углеродных волокон обеспечивает стабильность свойств композиционных материалов на их основе .
Дефекты и смачивание. Пиролиз органических волокон сопровождается увеличением их пористости . Высокомодульные углеродные волокна имеют поры вытянутой формы, отличаются от низкомодульных ориентацией бороздок и трещин вдоль оси волокна и их меньшей концентрацией на поверхности. По-видимому , при вытяжке происходит сглаживание части поверхностных дефектов, особенно эффективное при высокотемпературной обработке волокон. Поры на поверхности углеродных волокон имеют разные размеры. Крупные поры диаметром несколько сотен ангстрем при формовании композиционного материала заполняются связующим, при этом прочность сцепления связующего с наполнителем повышается. Большая часть пор на поверхности волокон имеет диаметр несколько десятков ангстрем. В столь малые полости могут проникать только низкомолекулярные компоненты связующего, и у поверхности наполнителя происходит молекулярно-ситовое перераспределение связующего, изменяющее его состав.
Смачиваемость волокон применяемыми для получения углепластиков, связующими, оказывает большое влияние на их свойства. В отличие от стеклянных волокон поверхностная энергия углеродных волокон очень низка, поэтому волокна плохо смачиваются связующими, а углепластики характеризуются низкой прочностью сцепления между наполнителем и связующим. Прочность сцепления волокон со связующим возрастает, если на поверхность волокон предварительно наносят тонкий слой мономера, хорошо смачивающего ее и заполняющего все поры. В результате полимеризации мономера волокно покрывается тонким слоем полимера - протектора, “пломбирующего” его поверхностные дефекты. Затем наполнитель совмещают с выбранным связующим, формуют изделие и отверждают пластик по стандартному режиму.
В настоящее время предложено еще несколько способов повышения прочности сцепления углеродного волокна со связующим, эффективность которых оценивают по возрастанию прочности композиционного материала при сдвиге :
Снятие пленки замасливателя с поверхности углеродных волокон после окончания текстильной переработки;
Травление поверхности углеродных волокон окислителями;
Аппретирование углеродных волокон;
Выращивание на поверхности волокон нитевидных кристаллов, обладающих высоким сопротивлением срезу (ворсеризация или вискеризация).
В некоторых случаях применяют последовательно несколько способов обработки.
Ворсеризация высокомодульных углеродных волокон является наиболее радикальным методом повышения прочности при сдвиге углепластиков. Пропорционально объемному содержанию нитевидных кристаллов на волокне увеличивается не только прочность при сдвиге, но и прочность при сжатии и изгибе в поперечном направлении вследствие дополнительного упрочнения матрицы кристаллами, обладающими высокими механическими показателями (например, прочность нитевидных кристаллов?-SiC составляет 7-20 ГПа при модуле упругости около 50 ГПа). При высоком содержании нитевидных кристаллов на волокне (более 4-7%) прочностные и упругие свойства пластика ухудшаются. В ряде случаев снижение прочности пластика связано с потерей прочности углеродного волокна при ворсеризации. В таблице 17.4 показано, как зависят свойства углепластиков от способа подготовки поверхности углеродного волокна.
Таблица 17.4 - Влияние различных видов подготовки поверхности высокомодульного волокна на свойства однонаправленного эпоксидного углепластика .
Способность углеродных волокон, содержащих одинаковое количество углерода (не менее 99 вес.%), к ворсеризации из газовой фазы возрастает с уменьшением стойкости его к окислению, которая пропорциональна концентрации поверхностных дефектов .
Физические свойства углеродных волокон зависят от их предыстории (условий карбонизации и графитации), а некоторые показатели и от природы и качества сырья . Многие свойства углеродных волокон определяется конечной температурой обработки, но, кроме этого, существенный вклад могут вносить другие факторы. В таблице 17.5 приведены наиболее характерные физические свойства углеродных волокон.
А вот если на удар - то карбон хрупок, ударная вязкось всего 35-40 Дж/г, даже у стеклопластиков выше.. . А у кевлара - 78
Правда сейчас появились разработки углепластиков, армированных нанотрубками, вот они - прочнее всего на удар, вязкость до 870 Дж/г (!!) Если, конечно, разработчики не врут.
Полимерные композиционные материалы из переплетённых нитей углеродного волокна, расположенных в матрице из полимерных (например, эпоксидных) смол. Плотность - от 1450 кг/м³ до 2000 кг/м³.
Материалы отличаются высокой прочностью, жёсткостью и малой массой, часто прочнее стали, но гораздо легче (по удельным характеристикам превосходит высокопрочную сталь, например 25ХГСА).
Вследствие дороговизны (при экономии средств и отсутствии необходимости получения максимальных характеристик) этот материал обычно применяют в качестве усиливающих дополнений в основном материале конструкции.
О КАРБОНЕ
Никакие материалы не идут в сравнение, когда речь заходит о элементах, состоящих из карбона. Слои карбона могут собираться двумя способами: мокрым способом (самый распространенный) и сухим (более сложный процесс).
Сухой карбон.
Это лучшее из лучшего, признаком чего, является и его высокая стоимость. Сухой карбон очень легкий и чрезвычайно прочный. Будьте готовы заплатить около $3-4 тыс. за капот из такого материала.
Мокрый карбон.
Материал достаточно хороший, но не лучший. Он тяжелее Сухого карбона, и не такой прочный. Стоимость капота из этого материала начинается от 1500$ .
Их отличие - при проведении рукой по сухому чувствуется его ребристая структура (если он не покрыт лаком), а мокрый карбон совсем гладкий на ощупь.
Волокна черного цвета, состоящие из множества нитей толщиной от 0,005 до 0,010 мм сплетенных в ткани из которых можно изготовить различные формы, с очень высокими прочностными техническими характеристиками. Сами по себе ткани не используются, а используются, как исходное сырье пропитанное эпоксидной смолой, с последующим застыванием образуют очень прочный и легкий материал. Прочность некоторых углепластиков выше высокопрочной стали сорта 25ХГСА но значительно меньше ее по весу. удельный вес готового углепластика 1.5 - 2 килограмма на квадратный дециметр - у стали 8 кг на квадратный дециметр. Разница масс в 4 - 6 раз.
Прочность карбона в основном зависит от качества применяемой эпоксидной смолы. Самые лучшие углеткани продаются уже пропитанными смолой, остается только уложить их в форму и отправить в автоклав для застывания.
Изготовление формы: Чтобы изготовить простейшую матрицу необходимо иметь готовый по форме образец бампера, капота либо любой другой детали изготовленных из любого материала, либо используя готовый заводской образец. Для избежания прочного склеивания образца с будущей матрицой, ее необходимо промазать слоем разделителя. В качестве разделителя может служить мыло, эдельвакс, воск растворенный в бензине, Циатим-221, кремнеорганические смазки. В качестве основы для матрицы, можно использовать монтажную пену, гипс, а также композитные материалы. Если матрица выполняется из композитных материалов, то самым дешевым ее источником является стекловолокно пропитанное обычной эпоксидной смолой. Если матрица имеет сложную форму, то ее приходится делать разъемной, в одном или нескольких местах. Места разъема должны быть зафиксированы и иметь точную позицию друг относительно друга. Лучше всего подходит штифтовое позициолнирование с последующим скреплением болтами.
Все монококи самых современных суперкаров и формулы один, выполняются с использованием углеродного волокна, для большей прочности в конструкцию добавляют титановые и сотовые структуры. Именно из за карбоновой конструкции эти автомобили так дороги. Мало того, что сам материал не дешев, так еще и все производство происходит практически полностью в ручном режиме.
Стоимость углеродного волокна очень высока и детали получаемые с помощью нее соответственно тоже. Цена за углеткань начинается от 5000 руб за 1 кг или 5 метров квадратных, при толщине 0.25 мм. Некоторые американские истребители и бомбардировщики тоже делают из карбона и стоимость бомбардировщика B2 например: составляет более 2 миллиардов долларов!!!
В домашних условиях изготовить такой же прочный карбон как и в заводских, скорей всего не получится, так как для качественного формования крупных деталей, понадобиться большой вакуумный автоклав, позволяющий формовать в вакууме и при заданной иногда немалой температуре, более 150 градусов.
Эпоксидные смолы застывающие при комнатных температурах не обладают и половиной той прочности, нежели полимеризованные с заданной картой температур, в условиях вакуумного автоклава.
Небольшойсписоккомпанийпроизводящихcarbon:
Toray
Nippon Graphite Fiber Corporation
FORMAX
Porcher Industries
Seal SpA
SGL Group
Mapei
Zoltek
Saertex
Ballar
Hexcel Corporation
Taiwan Electric Insulator
A&P Technology
FTS SpA
Epotech
Zyvex Technologies
Isovolta AG
Применение
Углепластики широко используются при изготовлении лёгких, но прочных деталей, заменяя собой металлы, во многих изделиях от частей космических кораблей до удочек, среди которых:
· ракетно-космическая техника;
· авиатехника (самолётостроение, вертолётостроение (например, несущие винты));
· судостроение (корабли, спортивное судостроение);
· автомобилестроение (спортивные автомобили (например, бамперы, пороги, двери, крышки капотов), мотоциклы, прототипы MotoGP, болиды Формулы 1 (кокпиты и обтекатели), а также при оформлении салонов;
· наука и исследования;
· усиление железобетонных конструкций;
· спортивный инвентарь (роликовые коньки, велосипеды, футбольные бутсы, хоккейные клюшки, лыжи, лыжные палки и ботинки, ракетки для тенниса, основания для настольного тенниса, лезвия коньков, стрелы, оборудование виндсерфинга, моноласты), вёсла;
· медицинская техника;
· протезостроение
· рыболовные снасти (удилища);
· профессиональные фото- и видеоштативы;
· бытовая техника (отделка корпусов телефонов, ноутбуков, рукояти складных ножей и пр.);
· моделизм;
· музыкальные инструменты (струны);
· изготовление индивидуальных супинаторов (особенно для спорта);
· инструменты рукоделия (вязальные спицы);
· карбон слабо поглощает рентгеновское излучение, поэтому из него изготавливают окошки рентгеновских и широкодиапазонных гамма-детекторов (через которые излучение проникает в детектор).
Преимущество карбона перед другими материалами связанно с его выдающимися свойствами. В первую очередь это малый вес и вместе с тем потрясающая прочность, так же высокая стабильность и отличная сопротивляемость усталости. Сочетание всех этих достоинств в одном материале и делает его уникальным и незаменимым во многих отраслях.
Чтобы лучше понять, как один материал может обладать таким количеством замечательных свойств, необходимо знать, что такое карбон из чего и как его получают.
Карбон, он же углепластик, он же графит – чаще всего под этим термином подразумевают изделие, сделанное из композитного материала с применением углеволокна.
Композит подразумевает сочетание двух и более компонентов с разными свойствами. Например, папье-маше (волокна бумаги и клей), древесина (волокна целлюлозы и лигнин), армированные пластики (полимер и усиливающий материал), железобетон (металлический каркас и бетон).
Сами по себе компоненты этих материалов не обладают какими-то уникальными прочностными характеристиками, но выступая в союзе, придают материалу новые свойства, где лучшие стороны одного материала дополняют лучшие стороны другого. Композитами можно считать практически все структуры, все ткани организмов растительного и животного мира. Поэтому, можно смело утверждать, что все самые совершенные материалы являются композиционными.
Плетение ткани, в свою очередь, может иметь много видов. Распространенными являются: плейн (plain) – полотняное, простое, плетение; твил (twill) – саржевое, диагональное плетение (елочка); сатин (satin) – гладкая, блестящая лицевая поверхность, на которой преобладают уточные нити.
Говоря об углепластике нельзя не затронуть следующее важнейшее преимущество перед другими материалами – анизотропность. В отличие от металлов, которые обладают изотропностью (т.е. независимостью свойств от направления), углеволокна имеют выраженную анизотропию, т.е. четкую зависимость своих физических свойств от направления. Это уникальное свойство можно использовать для придания конструкции требуемых характеристик. Используя ориентацию волокон в изделии при создании, например, велосипедной рамы из карбона, инженер может увеличить торсионную жесткость при этом сделать ее упругой и податливой к продольным нагрузкам. Это свойство позволит раме лучше гасить удары.
Кроме того, в отличие от металлов углепластик не ограничен свободой при выборе формы изделий. Если в металлической конструкции сложность формы ограничивается изгибами и соединениями (которые неизбежно снижают прочность и являются концентраторами нагрузки), то изделие из карбона может формоваться как единое целое, не зависимо от сложности конструкции. Это позволяет избежать появления слабых мест – концентраторов нагрузок, т.к. нагрузка распределяется по всей площади.
Также можно отметить отличные демпфирующие и фрикционные свойства углепластика. Благодаря последним, карбон все чаще используется в производстве сцеплений и тормозных механизмов hi-end класса.
Сочетание вышеперечисленных качеств делает этот удивительный материал незаменимым во многих отраслях. Не зря за последние десятилетия ассортимент изделий из карбона многократно вырос. Сегодня такие высокотехнологичные отрасли как космонавтика, авиация, профессиональный спорт невозможно представить без этого уникального, незаменимого, красивого материала. Материала настоящего и будущего – углепластика.
Из-за волокнистой природы этого материала, он имеет намного более явное "зерно" чем металл. Хорошо разработанная карбоновая рама может иметь структуру, выстроенную таким способом, чтобы обеспечить максимальную прочность в направлениях максимальных напряжений.
Недостаток
При производстве углепластиков необходимо очень строго выдерживать технологические параметры, при нарушении которых прочностные свойства изделий резко снижаются. Необходимы сложные и дорогостоящие меры контроля качества изделий (в том числе, ультразвуковая дефектоскопия, рентгеновская, токовихревая, оптическая голография и даже акустический контроль).
Другим серьёзным недостатком углепластиков является их низкая стойкость по отношению к ударным нагрузкам. Повреждения конструкций при ударах посторонними предметами (даже при падении инструмента на неё) в виде внутренних трещин и расслоений могут быть невидимы глазу, но приводят к снижению прочности; разрушение повреждённой ударами конструкции может произойти уже при относительной деформации, равной 0,5 %.
К сожалению, в велосипедных применениях, углеволокно - не полностью отработанная технология, как металлические рамы, состоящие из труб. Велосипеды подвергаются очень широкому диапазону различных напряжений с многих различных направлений. Даже с моделированием на компьютере, нагрузки не могут быть полностью предсказаны заранее. Углеволокно имеет большой потенциал, но современные карбоновые рамы не демонстрируют уровень надежности и долговечности, которые желательны для туристического использования в тяжелых условиях. В частности, слабыми точками являются области, где металлические части, типа концов вилок, оболочки каретки, рулевой колонки, и т. д. соединяются с карбоновой рамой. Эти области могут быть ослаблены в плане коррозии через какое-то время, и привести к поломке.
В геометрии, нет ничего столь же прочного, как треугольник. Велосипеды с "ромбовидной" рамой состоят, в общем, из двух треугольников. Элегантность и простота этого решения неоспорима. Миллиарды велосипедов с "ромбовидной" рамой были сделаны из труб более чем за столетие, и в течение этого времени, сотни тысяч очень умных людей потратили миллиарды часов поездок и думали относительно путей к более тонкой "настройке" их велосипедов. Трубчатая ромбовидная рама была четко "настроена" эволюционным процессом к совершенству, применяемым основным пропорциям и материалам.
Стеклоуглеволокно (стекловолокно с добавлением карбона)
Это - дешевый материал. Вы получаете или самодельное стекловолокно (смесь распыленного стекловолокна) как наполнитель, или тонкий слой углеродистой ткани «ради вида». Это лучшее, что можно ожидать от такого материала, по причине того, что люди жалеют вкладывать деньги в качественные материалы. Капот такого плана можно приобрести менее, чем за 1000$ (на аукционах типа ebay).
Карбон,титан или алюминий?
Попробуем взглянуть на выбор велосипедной рамы немного с другой стороны, нежели цена. То есть, рассмотреть материал для ее изготовления, основываясь на физических и прочностных характеристиках материалов.
Для этого обратимся к некоторым терминам и определениям физики твердого тела, а именно теории упругости.
Правильный выбор материала является сложной задачей, однозначное решение которой позволяет оптимизировать технологию изготовления, повысить долговечность конструкции в целом. Сейчас для производства велосипедных рам класса hi- end используются только три конструкционных материала: алюминий, титан и карбон. Первые два – это металлические сплавы, а последний - композиционный материал на основе углеволокна и эпоксидного связующего.
Основной механической характеристикой конструкционного материала является предел прочности. Это отношение значения растягивающей силы непосредственно перед разрывом к наименьшей площади поперечного сечения образца в месте разрыва. Для карбона (на основе углеволокна Т700) эта величина порядка 1500 МПа, для титанового сплава (3 Al/2.5 V) порядка 800 МПа, для алюминия (6061) порядка 60 МПа. В скобках приведены марки, наиболее часто используемые в велосипедной индустрии.
Следующая важная характеристика – предел текучести, напряжение при котором начинает возникать пластическая деформация, другими словами, при разгрузке от которого возникает остаточная деформация заданной величины. Для карбона такие данные не приводятся, для титана порядка 300 МПа, для алюминия порядка 20 МПа.
Ну и в завершение насколько слов о плотности. Чем меньше плотность, тем легче материал. Плотность карбона около 2 г/см3, титана 4,5 г/см3, алюминия 2,7 г/см3.
Из вышесказанного следует, что у каждого материала есть свои сильные и слабые стороны. Однако, для велосипедной специфики нельзя выделить какое то одно определяющее свойство материала. Например, при лучших прочностных/весовых характеристиках, карбон очень хрупкий и боится ударов и царапин. Алюминий легкий, но пластичный и с низкими прочностными свойствами. Титан прочный и упругий, но сравнительно тяжелый.
Истинная картина проясняется, если рассмотреть свойства каждого материала в целом. Тогда бесспорным лидером становится титан. Это обьяснимо.
Причиной разрушения велосипедной рамы являются не чрезмерные нагрузки, а накопление в процессе эксплуатации изделия мелких внутренних повреждений (которые принято называть трещинками или дислокациями), спровоцированное периодическим влиянием внешних сил (напряженного состояния). Определяющей характеристикой металла, так или иначе реагировать на напряженное состояние, является пластичность.
Пластичность металла есть функция его состояния, зависящая от внешних и внутренних факторов, которая выражается в способности твердых тел необратимо менять свою форму без разрушения под действием приложенных сил. Другими словами, существует некоторая максимальная величина нагрузки, при достижении которой происходит разрыв межмолекулярных связей кристаллической решетки металла, что ведет к образованию внутренних дефектов структуры, которые не могут исчезнуть, а могут только накапливаться. Анализ показал, что у большинства конструкционных металлов наиболее типичным является разрушение, которое начинает развиваться задолго до достижения такой максимальной нагрузки. Виной тому циклические нагрузки. При этом пластические деформации и разрушение оказываются связанными настолько тесно, что их можно рассматривать как единый процесс с общей энергией активации.
Установлено, что разрушению материала от усталости (при циклических нагрузках) предшествует накопление локальных микросдвигов и, следовательно, появление пластических деформаций, исчерпание которых приводит к местным разрушениям.
Всё это говорит о том, что пластичные металлы более подвержены накоплению неупругих деформаций (усталости) и следовательно ресурс их значительно ниже.
Физической характеристикой пластичности металла является предел текучести (условный предел текучести). Эта величина определяет усилие при котором в материале появляется пластическая деформация. Чем меньше предел текучести, тем пластичнее материал, а следовательно меньше его ресурс. Предел текучести алюминия в 15 раз меньше, чем у титана!
Ещё одной причиной разрушения конструкционных материалов являются внешние дефекты (царапины). Стойкость материала к царапинам определяется твердостью. Твердость титана по Бриннелю составляет 103 ед., а у алюминия 25 ед., то есть у титана она в 4 раза выше!
У титана, согласно этой характеристике, есть ещё одно большое достоинство – он очень долго сохраняет первоначальный внешний вид и легко его восстанавливает (с помощью дополнительной механической обработки).
Суммируя всё сказанное, получается, что применительно к велосипедной раме титан выглядит материалом практически идеальным. Также это можно сказать про сочетание титана и карбона (углепластика). Однако, дорогой читатель, окончательный выбор всё равно остаётся за Вами.
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.
Углеродные волокна (УВ) относятся к переходным формам углерода, структурные элементы которого близки к графиту.
Способ получения волокон из углерода - неплавкого и нерастворимого вещества - подсказан впервые Элисоном и Сваном еше в 1880 г. Им удалось, нагревая органические волокна в определенных условиях, не разрушать их, а превращать в углеродные.
Механические свойства углеродных волокон в значительной степени определяются их структурой, которая, в свою очередь, зависит от условий получения (температуры термообработки, состояния исходного сырья, присутствия легирующих модификаторов, а также наличия дефектов).
Углеродные волокна, относящиеся к классу углеграфитовых материалов, в структурном отношении характеризуются рядом особенностей, отличающих от массивных материалов соответствующего химического состава.
Кроме того, структура и свойства углеродных волокон зависят как от специфической формы материала (волокно), так и от ориентированной структуры исходных полимеров, из которых они получены.
Исследованию взаимосвязи структуры и механических свойств углеродных волокон посвящено значительное количество работ, тем не менее, до сих пор нет достаточно полного представления о характере влияния тех или иных параметров структуры на прочность УВ. Все это свидетельствует о сложности строения УВ и большом числе факторов, влияющих на их прочность.
Основной структурной единицей УВ является слой графита лентообразной формы. Угловое расположение слоев может значительно изменяться при нагреве и вытяжке - ориентация углеродных слоев становится более совершенной при увеличении температуры термообработки и вытяжке. Поры в структуре длинные, тонкие, с предпочтительной ориентацией вдоль оси волокна. Объемная доля микропор увеличивается с повышением температуры и уменьшается при вытяжке УВ. Эта модель изображена на рис. 1. Существуют также и другие модели структуры углеродных волокон.
Рис. 1. Схематичное изображение структуры углеродного волокна .
Разнообразие областей применения углеродных волокон обусловлено широким спектром их характеристик. Углеродным волокнам присущи экстремально высокие значения модуля упругости и прочности, химическая и термическая стойкость, низкий коэффициент линейного термического расширения, специфические трибологические свойства, повышенные (по сравнению с другими волокнами) тепло- и электропроводность и ряд других ценных свойств. Комплекс полезных характеристик углеродных волокон определяется природой исходного материала и разнообразием структурных особенностей.
Важным свойством УВ, определяющим перспективность использования подобных материалов во многих областях, является их высокая химическая стойкость по отношению к различным агрессивным реагентам.
Свойства различных углеродных волокон приведены в табл. 1-4, где γ - плотность; Т субл - температура сублимации; S уд - удельная поверхность; α - температурный коэффициент линейного расширения; ρ - удельное электрическое сопротивление; l - коэффициент теплопроводности; С - удельная теплоемкость.
Таблица 1. Некоторые свойства углеродных волокон.
| Углеродное волокно |
γ , г/см 3 |
Т субл, |
S уд , м 2 / г |
α × 10 -6 , К - 1 |
ρ × 10 -5 , Ом × м |
l
, Вт/(м × К) |
кДж / (кг × К) |
| Карбонизо-ванное | 1,4-1,8 | 3873 | 1-1000 | 1,5 | 1-70 | 0 , 8-1 , 6 | 0 , 8 |
| Графитиро-ванное | 1,8-2,15 | 3873 | 0,15-3 | -1,5-2,5 | 0 , 3-1 | 1,7- 2,0 | 0 , 6 |
Таблица 2. Углеродные волокна, выпускаемые ведущими зарубежными фирмами
| Фирма | Марка | σ , МПа |
ГПа |
γ , г/см 3 |
Сырьё |
| Геркулес Инкорпорейшн графит Фиберз Бизнес Сентер |
Геркулес
AS 6 IM 6 НМ |
4137 |
243 |
1,83 1,83 1,84 |
ПАН |
| Юнион Карбид Корпорейшн |
Торнел Т-300 Т-500 Т-700 Р-75 Р-100 |
3200 |
228 |
1,70 |
ПАН |
| Торей Индастриз Инкорпорейшн |
Торейка Т300 Т800 Т1000 М40 М50 М60 |
3500 |
235 |
1,76 |
ПАН |
| Тохо |
Бесфайт ST -3 НМ-40 НМ-45 3М-500 |
4400 |
240 |
1,77 |
ПАН |
| Ниппон Карбон | Карбалон
3-2000 3-4500 |
3260 |
1,77 |
ПАН |
|
| Мицубиси Рейэн | Пирофил
М-1 Т-1 |
2600 |
360 |
1,85 |
ПАН |
| Селанез Плэитикс энд Спешитиз Компани |
Целион
GY-70 6К |
1900 |
530 |
1,90 |
ПАН |
Таблица 3. Некоторые виды углеволокнистых материалов, разработанных в России .
| Марка | σ , МПа | Е, ГПа | γ , г/смЗ |
| Теплозащитные | |||
| Тесьма | |||
| Урал-15 | 1800 | 70 | 1.65 |
| Урал-24 | 1500 | 90 | 1.71 |
| Нить | |||
| Урал-Н-15 | 1800 | 70 | 1.65 |
| Урвл-Н-24 | 1500 | 90 | 1.71 |
|
Ткань, тканная лента |
|||
| УУТ-2 | 130 | 20 | |
| УТМ-8 | 50 | 30 | |
| Урал-Т | 150 | 30 | |
| Лента Урал-Т-24 | 130 | 60 | |
| Лагта Урал-ТМ-24 | 300 | 60 | |
| Лента Урал-ТС/4-24 | 200 | 60 | |
| С дополнительным покрытием |
Вид покрытия | ||
| Урал-ПУ | 160 | Пироуглерод, 12% | |
| Урал-ТК | 160 | Карбил кремния, 7 % | |
| ТМП-3 | 50 | Пироуглерод, 10% | |
| ТКК-2 | 80 | Карбид кремния, 3 % | |
| Конструкционные нити | |||
| УКН-5000 | 3300 | 230 | 1.72 |
| УКН-5000П | 3400 | 240 | 1.73 |
| УКН-П-0,1 | 3700 | 230 | 1.74 |
| УКН-2500П | 3400 | 240 | 1.73 |
| Конструкционные нити | |||
| УКН В-400 | 4300 | 240 | 1.75 |
| ВМН-4 | 2800 | 240 | 1.75 |
| Гранит 300 | 3000 | 300 | 1.80 |
| Гранит 40П-0,1 | 3700 | 400 | 1,82 |
| Кулон-Н | 3500 | 560 | 1,92 |
| Лента | |||
| ЛУП-01 | 2700 | 260 | 1.70 |
| ЛУП-02 | 2700 | 260 | 1.70 |
| Элур-01 | 2900 | 235 | 1.69 |
| Элур-0,08 | 3000 | 235 | 1.70 |
| ЛУП-24 | 2750 | 330 | 1.80 |
| Кулон | 2750 | 420 | 1.87 |
Таблица 4. Углеродные волокна специального назначения S уд , м 2 / г
активные
Обозначения в таблице:
ρ - удельное электрическое сопротивление; к.и. – кислородный индекс; S уд - удельная поверхность.
Литература:
- Мелешко А.И., Половников С.П. Углерод, углеродные волокна, углеродные композиты - М.: «САЙНС-ПРЕСС», 2007. - 192 с.
Загрузка...