Углеродное волокно: способ получения, свойства, 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 — это органические волокна, подвергшиеся термическому воздействию при температурах 1000-3000°C и содержащие 92-99,99 % углерода [8].
Получение углеродных волокон
УВ обычно получают термической обработкой химических или природных органических волокон, при которой в материале волокна остаются главным образом атомы углерода. Температурная обработка состоит из нескольких этапов. Первый из них представляет собой окисление исходного (полиакрилонитрильного, вискозного) волокна на воздухе при температуре 250 °C в течение 24 часов. В результате окисления образуются лестничные структуры, представленные на рисунке 7.1 [8].
Рисунок 7.1 – Структуры, образующиеся при окислении ПАН-волокна
После окисления следует стадия карбонизации — нагрева волокна в среде азота или аргона при температурах от 800 до 1500 °C. В результате карбонизации происходит образование графитоподобных структур. Процесс термической обработки заканчивается графитизацией при температуре 1600-3000 °C, которая также проходит в инертной среде. В результате графитизации количество углерода в волокне доводится до 99 %. Помимо обычных органических волокон (чаще всего вискозных и полиакрилонитрильных), для получения УВ могут быть использованы специальные волокна из фенольных смол, лигнина, каменноугольных и нефтяных пеков.
Дополнительная переработка УВ
Углеродные волокна могут выпускаться в разнообразном виде: штапелированные (резаные, короткие) нити, непрерывные нити, тканые и нетканые материалы. Наиболее распространенный вид продукции — жгуты, пряжа, ровинг, нетканые холсты. Изготовление всех видов текстильной продукции производится по обычным технологиям, так же как для других видов волокон. Вид текстильной продукции определяется предполагаемым способом использования УВ в композиционном материале, точно так же, как и сам метод получения композита.
Свойства углеродных волокон
Впервые получение и применение углеродных волокон было предложено и запатентовано известным американским изобретателей Томасом Алва Эдисоном в 1880 году в качестве нитей накаливания в электрических лампах [8].
Они оказались наиболее подходящим армирующим материалом для изготовления ракетных двигателей, так как обладают высокой термостойкостью, хорошими теплоизоляционными свойствами, коррозионной стойкостью к воздействию газовых и жидких сред, высокими удельными прочностью, сопротивлением усталости и жесткостью.
По сравнению с обычными конструкционными материалами, например, алюминием или сталью, композиты с углеродными волокнами обладают некоторыми полезными свойствами.
Углеродные волокна характеризуются высокой силой натяжения, низким удельным весом, низким коэффициентом температурного расширения и химической инертностью.
Они имеют исключительно высокую термостойкость: в инертных средах или в вакууме – до 3000°С, на воздухе – до 450°С.
Изменяя условия термообработки, можно получить УВ с различными электрофизическими свойствами (удельное объёмное электрическое сопротивление от 2·10 −3 до 10 6 Ом/см) и использовать их в качестве разнообразных по назначению электронагревательных элементов, для изготовления термопар и др.
Углеродные волокна превосходят все известные жаростойкие волокнистые материалы благодаря большой активной поверхности до 2500 м 2 /г, высокой прочности (3,6 Гн/м 2 ). Углеродные волокна обладают отличными сорбционными свойствами (1 гр. поглощает до 50 гр. нефтепродуктов) [8].
Применение углеродных волокон
Свойства углеродных волокон предопределяют возможность их применения в качестве тепловых экранов и теплоизоляционного материала в высокотемпературной технике.
Благодаря высокой химической стойкости углеродные волокна применяют для фильтрации агрессивных сред, очистки газов, изготовления защитных костюмов.
Электропроводность углеродных волокон позволяет бороться и со статическим электричеством: достаточно ввести в материал (ткань, бумагу) всего 0,02—1% углеродного волокна, чтобы электрические заряды полностью «стекали» с этого материала, как после обработки антистатиком.
Углеродные материалы, обладающие высокой адсорбционной активностью, с успехом применяют в виде повязок, тампонов и дренажей при лечении открытых ран и ожогов (в том числе и химических); для очистки крови и других биологических жидкостей; как лекарственное средство при отравлениях (благодаря их высокой способности сорбировать яды); как носители лекарственных и биологически активных веществ.
Углеродные волокна применяют для армирования композиционных, теплозащитных, химостойких в качестве наполнителей в различных видах углепластиков. Из модернезированных углеволокон изготавливают электроды, термопары, экраны, поглощающие электромагнитное излучение, изделия для электро- и радиотехники. На основе углеродных волокон получают жесткие и гибкие электронагреватели, обогреваемую одежду и обувь. Нетканые углеродные материалы служат высокотемпературной изоляцией технологических установок и трубопроводов. Углеволокнистые ионообменники служат для очистки воздуха, а также технологических газов и жидкостей, выделения из последних ценных компонентов, изготовления средств индивидуальной защиты органов дыхания [9].
В настоящее время углеродные волокна используют для термозащиты космических кораблей, самолетов, ракет, изготовления их носовых частей, деталей двигателей, теплопроводящих устройств, для энергетических установок и производства активированных углеродных волокон (например, в накопителях электроэнергии, аккумуляторах, батареях, устройствах-модулях по очистке газов, где требуются новые, в частности, токопроводящие углеродные волокна-сорбенты).
На основе вискозных нитей и волокон изготавливают нити, ленты, ткани, а также дисперсный порошок из размолотых волокон (Урал ®, УВК ®, Вискум ®), нетканый материал (Карбопон ®), активированные сорбирующие ткани (Бусофит ®), активированные сорбирующие нетканые материалы (Карбопонактив ®).
Читайте также: Виды тканей у грибов
На основе вискозных штапельных волокон изготавливают волокна и нетканые материалы: карбонизованые — Углен ® и графитированые — Грален ®.
На основе нитей и жгутов изготавливают ленты и ткани (ЛУ ®, УКН ®, Кулон ®, Элур ®), активированные сорбирующие волокна и нетканые материалы (Актилен ®, Ликрон ®), дисперсный порошок из размолотых волокон (Ваулен®).
Волокна и нетканые материалы: карбонизованные — Эвлон ® и графитированные — Конкор ®.
Выпускают углеродные волокона и за рубежом:
— в США: Торнел ®, Целион ®, Фортафил ®;
— в Великобритании: Модмор ®, Графил ®;
— в Японии: Торейка ®, Куреха-лон ®.
Углеродное волокно и ткани из углеродных волокон
Помимо высоких прочностных свойств и малого веса, углеродное волокно и композиты на его основе (углепластик) имеют черный цвет и хорошо проводят электричество, что определяет и ограничивает области, где применяется углепластик и углеродное волокно. Кроме того, углеродное волокно и углепластик имеют очень низкий, практически нулевой коэффициент линейного расширения, что делает углеродное волокно незаменимым в некоторых специальных областях применения.
Производителям тканых материалов углеродное волокно поставляется в виде нитей, которые представляют собой группу элементарных углеродных волокон. Количество углеродного волокна в нити оценивается числом «К» — число тысяч элементарных углеродных волокон. Самое меньшее и самое дорогое углеродное волокно — 1К, наиболее распространенное углеродное волокно 3К, существуют также нити из углеродного волокна с К = 6, 12, 24, 48. Плоские ткани, где используется углеродное волокно 12K имеют плотность от 160 до 380 гр/м 2 .
Дата добавления: 2017-01-13 ; просмотров: 11114 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ
Что такое углеродная ткань? Применение углеродной ткани в различных сферах деятельности
Что такое углеродная ткань? Это материал, который состоит из чрезвычайно легких и прочных волокон армированного полимера. По своей сути, этот полимер является длинной цепочкой из молекул, которые атомы углерода удерживают вместе. Обычно, полимер, используемый для изготовления углеродной ткани, на девяносто процентов состоит из углерода, смешанного с десятью процентами разных добавок.
Могут отличаться друг от друга товары различных производителей — в зависимости от используемого при производстве армированного полимера и комбинаций сырья. О точном составе углеродной ткани, как правило, информация не разглашается. Ведь это — коммерческая тайна.
Производство углеродной ткани
С вытягивания в тонкие нити армированных полимеров начинается производство углеткани. Далее на бобины наматывают нити, полученные в процессе вытягивания, а затем, при помощи специальных ткацких станков, из них плетется сама ткань. Всего лишь пять-десять микрон имеет в диаметре каждая нить и, несмотря на это, она является очень прочной.
Углеродная ткань, на сегодняшний день, пожалуй, самый прочный сотканный материал.
Применение
Безгранично может быть применение углеродной ткани. Где применяется? Чаще всего ее используют там, где необходим малый вес, высокая проводимость, высокая прочность. В связи с тем, что углеткань может иметь разное качество, ее применение во многом зависит от состава и класса ткани. Например, высший сорт этого волокна используется в аэрокосмической отрасли.
Строительство
В строительстве, в системе внешнего армирования применяется сверхтонкая углеродная ткань. Во время ремонта несущих конструкций применение углеткани и эпоксидного связующего позволяет в сжатые сроки проводить реконструкцию и значительно уменьшает трудозатраты, если сравнивать с традиционными способами. Несмотря на то, что в разы снижается срок ремонта, в несколько раз увеличивается также срок службы конструкции. Несущая функция конструкции не просто восстанавливается , но и в несколько раз увеличивается.
Авиация
Для чего нужна углеродная ткань в авиации? Ее используют при создании цельных композитных деталей, также используются углеродные материалы. Получаемые изделия, отличающиеся легкостью и прочностью, позволяют заменить алюминиевые сплавы на углепластиковые. При весе в пять раз меньше алюминиевых деталей композитные обладают большей гибкостью, прочностью, устойчивостью к давлению.
Промышленность
Также углепластики используются в атомной промышленности при создании энергетических реакторов, где основное требование к используемым материалам — их радиационная устойчивость, стойкость к высоким температурам и давлению. Все эти свойства углеродная ткань имеет. Помимо этого, особое внимание в атомной отрасли отдается прочности внешних конструкций, поэтому ткань широко применяют также в системе внешнего армирования.
Углепластик
Карбон (или углепластик) используется в автомобилестроении для производства как отдельных узлов и деталей, так и для целых автомобильных корпусов. Большое соотношение прочности к весу позволяет производителям создавать безопасные и экономичные автомобили: снижение за счет углепластиков веса автомобиля снижает на 16 % выброс CO2 в атмосферу. Так как происходит снижение расхода топлива в несколько раз.
Достаточно прочные позиции занимают композиционные материалы в аэрокосмической гражданской отрасли. Высокие требования к ним ставят большие нагрузки космических полетов. Углеволокно и материалы из него работают в условиях повышенных и пониженных температур и давления, в условиях воздействия радиации, при высоких вибрационных нагрузках и т. п.
В судостроении углепластики из-за своей коррозионной стойкости, высокой удельной прочности, немагнитности, низкой теплопроводности и высокой ударостойкости являются лучшим составляющим для проектирования и создания новейших материалов и конструкций из них. Выбор именно этого материала обусловлен возможностью сочетания в нем одном высокой химической инертности и прочности, а также – звуко, вибро и радиопоглощения, что позволяет использовать его при изготовлении конструкций разных видов гражданских судов.
Читайте также: Что такое нетканая ткань для масок
В мировой практике ветроэнергетика — одна из самых значимых областей, где применяется углеродный материал. Эта отрасль находится на стадии зарождения в России, хотя по всему миру появляются ветряки: и в прибрежных зонах, и в незаселенных районах, и на морских платформах. Непревзойденные прочность и легкость углепластиков позволили создавать лопасти более длинными. В свою очередь, они стали обладать большей энергопроизводительностью.
Широкое применение углепластики имеют и в железнодорожной отрасли. Прочность и легкость материала способствует облегчению конструкций железнодорожных вагонов, что позволяет, тем самым, снизить общий вес состава, увеличить его длину, улучшить скоростные характеристики.
Углеродное волокно также может быть использовано при прокладке железнодорожных путей и при строительстве железнодорожного полотна: длину проводов позволит увеличить высокий показатель прочности на изгиб, что сократит нужное количество опор и, в то же время, снизит риск их провисания.
В привычный уклад жизни каждого человека интенсивно входят композиционные материалы. Множество товаров народного потребления создаются из них: спортивный инвентарь и экипировка, предметы интерьера, детали бытовой техники, ЭВМ и многое другое.
Карбон — что это такое
Что такое углепластик
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 композитные материалы, в которых несущей основой являются углеродные волокна, а вот связующее может быть разным. Карбон и углепластик объединились в один термин, привнеся путаницу в головы потребителей. То есть карбон или углепластик — это одно и то же.
Это инновационный материал, высокая стоимость которого обусловлена трудоемким технологическим процессом и большой долей ручного труда при этом. По мере совершенствования и автоматизации процессов изготовления цена карбона будет снижаться. Для примера: стоимость 1 кг стали — менее 1 доллара, 1 кг карбона европейского производства стоит около 20 долларов. Удешевление возможно только за счет полной автоматизации процесса и сокращения времени его производства.
Применение карбона
Изначально карбон был разработан для спортивного автомобилестроения и космической техники, но благодаря своим отличным эксплуатационным свойствам, таким как малый вес и высокая прочность, получил широкое распространение и в других отраслях промышленности:
- 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 эпоксидных компаундов в качестве связующего.
Армирующий элемент, общий для всех видов углепластика — углеродные волокна толщиной 0,005-0,010 мм, которые прекрасно работают на растяжение, но имеют низкую прочность на изгиб, то есть они анизотропны, прочны только в одном направлении, поэтому их использование оправдано только в виде полотна.
Дополнительно армирование может проводиться каучуком, придающим серый оттенок карбону.
Карбон или углепластик характеризуются высокой прочностью, износостойкостью, жёсткостью и малой, по сравнению со сталью, массой. Его плотность — от 1450 кг/м³ до 2000 кг/м³. Технические характеристики углеволокна можно посмотреть в с равнительной таблице плотности, температуры плавления и прочностных характеристик.
Еще один элемент, используемый для армирования вместе с углеродными нитями — кевлар . 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%.
Читайте также: Соединительная ткань видеоурок анатомия
Виды волокон карбона. Полотно
Волокна могут быть короткими, резаными, их называют «штапелированными», а могут быть непрерывные нити на бобинах. Это могут быть жгуты, пряжа, ровинг, которые затем используются для изготовления тканого и нетканого полотна и лент. Иногда волокна укладываются в полимерную матрицу без переплетения (UD).
Так как волокна отлично работают на растяжение, но плохо на изгиб и сжатие, то идеальным вариантом использования углеволокна является применение его в виде полотна Carbon Fabric.
Оно получается различными видами плетения: елочкой, рогожкой и пр., имеющими международные названия Plain, Twill, Satin. Иногда волокна просто перехвачены поперек крупными стежками до заливки смолой. Правильный выбор полотна для углепластика по техническим характеристикам волокна и виду плетения очень важен для получения качественного карбона.
В качестве несущей основы чаще всего используются эпоксидные смолы, в которых полотно укладывается послойно, со сменой направления плетения, для равномерного распределения механических свойств ориентированных волокон. Чаще всего в 1 мм толщины листа карбона содержится 3-4 слоя.
Достоинства и недостатки карбона
Более высокая цена карбона по сравнению со стеклопластиком и стекловолокном объясняется более сложной, энергоемкой многоэтапной технологией, дорогими смолами и более дорогостоящим оборудованием (автоклав). Но и прочность с эластичностью при этом получаются выше наряду со множеством других неоспоримых достоинств:
- 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 как естественным путем, так и при нагреве. Как правило, в результате такого процесса получается листовой углепластик.
2. Формование
Изготавливается модель изделия (матрица) из гипса, алебастра, монтажной пены, на которую выкладывается пропитанная смолой ткань. При прокатке валиками композит уплотняется и удаляются излишки воздуха. Затем проводится либо ускоренная полимеризация и отверждение в печи, либо естественная. Этот способ называют «сухим» и изделия из него прочнее и легче, чем изготовленные «мокрым» способом. Поверхность изделия, изготовленного «сухим» способом, ребристая (если его не покрывали лаком).
К этой же категории можно отнести формование из листовых заготовок — метод препрегов.
Смолы по своей способности полимеризоваться при повышении температуры разделяются на «холодные» и «горячие». Последние используют в технологии препрегов, когда изготавливают полуфабрикаты в виде нескольких слоев углеткани с нанесенной смолой. Они в зависимости от марки смолы могут храниться до нескольких недель в неполимеризованном состоянии, прослоенные полиэтиленовой пленкой и пропущенные между валками для удаления пузырьков воздуха и лишней смолы. Иногда препреги хранят в холодильных камерах. Перед формованием изделия заготовку разогревают, и смола опять становится жидкой.
3. Намотка
Нить, ленту, ткань наматывают на цилиндрическую заготовку для изготовления карбоновых труб. Кистью или валиком наносят послойно смолу и сушат преимущественно в печи.
Во всех случаях поверхность нанесения смазывается разделительными смазками для простого снятия получившегося изделия после застывания.
Можно ли сделать углепластик своими руками
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 основные методы изготовлении деталей из карбона описаны здесь .
Где брать углеткань
Тайвань, Китай, Россия. Но в России это относится к «конструкционным тканям повышенной прочности на основе углеволокна». Если найдете выход на предприятие, то вам очень повезло. Много компаний предлагают готовые наборы для отделки автомобилей и мотоциклов карбоном «Сделай сам», включающих фрагменты углеткани и смолу.
70% мирового рынка углеткани производят тайваньские и японские крупные бренды: Mitsubishi, TORAY, TOHO, CYTEC, Zoltec и пр.
Надеемся, вы нашли исчерпывающий ответ на вопрос «Что такое карбон»?
- Свежие записи
- Балкон в многоквартирном доме: является ли он общедомовым имуществом?
- Штраф за остекление балкона в 2022: что это и как избежать наказания
- Штраф за мусор с балкона: сколько заплатить за выбрасывание окурков
- Оформление балконного окна: выбираем шторы из органзы
- Как выбрать идеальные шторы для маленькой кухни с балконом