Углеродное волокно, что это такое, применение карбона в современном строительстве. Углеродное волокно (карбон) – строительный материал будущего Применение углеволокна

Строительная отрасль в наше время активно развивается посредством внедрения новых материалов, а также за счет использования инновационных технологий. Наиболее актуальными являются проблемы возведения сооружений, которые отличались бы устойчивостью к динамическим нагрузкам и агрессивным условиям окружающей среды. Так для укрепления бетонных конструкций стали использовать углеволокно, которое ранее применялось только в самолёто- и ракетостроении.

Немного истории: как появился карбон

На сегодняшний день углерод в том или ином виде востребован практически во всех промышленных отраслях. Особенностью и главным его преимуществом является то, что он способен гармонично дополнять традиционные строительные материалы, будь то стекло, метал, дерево или бетон или же и вовсе заменить их, что весьма выгодно и для человека, и для природы.

Открыт углерод еще в 1880 году Т. Эдисоном в процессе исследования нити лампы накаливания. Благодаря зарубежным производителям и промышленникам углеволокно стало активно применяться в различных отраслях, в том числе и в строительстве. На территории нашей страны последние проекты с использованием углеволокна разрабатывались еще в советские времена, потому сейчас они активно реанимируются инженерами.

Углеволокно: характеристика материала и особенности его использования

Углеродное волокно является продуктом искусственного происхождения и относится к полимерам с композитной структурой. Формируется из тонких нитей (диаметр от 3 до 15 микрон), а нити, в свою очередь, из атомов углерода, которые объединяются в кристаллическую сетку. За счёт физических особенностей атома углерода, кристаллы в сетке располагаются параллельно относительно друг друга. Такое выравнивание является ключевым фактором, который способствует повышенной прочности волокна на растяжение.

Широкое использование углеволокна в аэрокосмической сфере и оборонной промышленности, а также для сооружения зданий обосновано тем, что по твердости материал значительно превосходит металл. Углеволокно в строительстве начали использовать в 1980 году в Калифорнии для укрепления построек, находящихся в сейсмически активной зоне. В отечественном строительстве материал применяется, как правило, в процессе ремонтных работ, но его популярность и сфера использования постепенно растет.

Технические характеристики и плюсы применения в строительстве

Столь продолжительный эксплуатационный срок углеволокна обусловлен такими характеристиками:

• Отличная адгезия к поверхностям с различной структурой.
• Высокая устойчивость к коррозийным процессам.
• Лёгкость и прочность. Благодаря тому, что углеволокно обладает поразительной лёгкостью, его используют в системах армирования, что позволяет снизить нагрузку на фундамент здания.
• Изоляция от влаги. Поверхность углепластикового волокна является глянцевой, что исключает возможность его реакции с водой.
• Высокая огнеупорность и ударопрочность.
• При использовании для армирования, можно наносить материал в несколько слоёв.
• Проведение ремонтных работ любого типа, где возможно применение углеволокна, может осуществляться без прекращения эксплуатации самого здания.
• Является полностью токсически безопасным и экологически чистым.
• Высокая степень универсальности. Может использоваться при армировании конструкций практически любых конфигураций: на ребристых поверхностях, закругленных и угловых элементах, балочных сегментах рамных конструкций и пр.

Составляющей углеродного волокна является полиакрилнитрит, который предварительно обрабатывается высокой температурой (в пределах 3000° - 5000°С). Учитывая вышеописанные технические характеристики, наиболее частой сферой применения углеволокна в строительстве является внешнее армирование.

При этом волокно пропитывается двухкомпонентной эпоксидной смолой, которая выступает связующим веществом. Монтаж производится аналогично обоям – материал просто наклеивается на поверхность конструкции, которая укрепляется.

Использование именно эпоксидной смолы в качестве связующего вещества обусловлено следующими особенностями материала:

1. Такая смола имеет высокие адгезивные свойства по отношению к бетонным поверхностям.
2. Компоненты углеволокна и смолы вступают между собой в химическую реакцию, в результате которой углеводород приобретает жёсткость пластика и становится прочнее стали в 7 раз.

Благодаря таким характеристикам углеволокно занимает лидирующие позиции среди композитных материалов. Прочность материала на разрыв в 4 раза превосходит сталь лучших марок, несмотря на то, что он на 75% легче железа и на 30% алюминия. Удельный вес углеродного волокна относительно низкий, а при нагревании материал расширяется незначительно, что обеспечивает возможность применение углеволокна в различных климатических зонах.

Недостатки углеволокна

Список недостатков карбона короткий, но обязательно должны быть учтены при планировании строительства. Выделяют три основных недостатка:

1. Углеволокно является хорошим отражателем электрических волн.
2. Материал отличается высокой стоимостью в сравнении с аналогами.
3. Изготовление композита более трудоёмкое, чем производство металла.

Применение углеродного волокна в строительстве: основные варианты

Эффективность карбона позволяет успешно применять его для армирования конструкций из дерева, кирпича или железобетона. Согласно СНиП и ГОСТ, сооружение, усиленное таким материалом, становится прочнее на сжатие до 120%, а на изгиб получает еще плюс 65% прочности.

Помимо такого варианта использования, углеродное волокно также успешно используется для реставрации каменных конструкций, к примеру, балок и опор бетонных мостов. В частном строительстве усиление фундамента или стен посредством карбона придаст сооружению большой запас прочности.

Усиление построек с помощью армирования карбоном необходимо в таких случаях:

• Конструкция была повреждена, в результате чего её несущая способность снизилась, стали появляться трещины.
• Изменились условия эксплуатации помещения, возросли нагрузки на него.
• Планируется постройка здания в сейсмически активной зоне.
• Для устранения разрушений бетона и коррозийных процессов в арматуре, если постройка долгое время подвергалась агрессивному воздействию внешней среды.

Если углеродное волокно было выбрано на этапе проектирования постройки, как один из компонентов системы внешнего армирования, то в работе следует руководствоваться Сводом правил 164.1325800.2014.

Производя армирование самостоятельно, нужно учитывать, что наклеивание карбона осуществляется в зонах наибольшей нагрузки: как правило, это центральная часть пролета, которая соприкасается с нижней гранью. Для работы с изгибами можно выбрать любой тип материала – ленты, сетки или ламели.

В процессе армирования балок может возникнуть необходимость дополнительного укрепления приопорных зон, что повысит несущую способность всей конструкции при поперечной нагрузке. Для этого используют U-образные хомуты из лент или сеток.

Где следует осуществлять внешнее армирование карбоном

Углеволокно в строительстве может быть использовано для усиления зданий и сооружений из таких материалов:

1. Камень. Сюда относят столбы, пилоны, кирпичные дома. Углеволокно применимо здесь как в процессе постройки, так и для проведения рементных работ.
2. Железобетон. Здесь углеродное волокно может быть использовано для гидротехнических построек, мостов, паток архитектуры.
3. Металл. Такие сооружения имеют близкий к углеволокну модуль прочности и упругости, но их усиление все равно необходимо, особенно в зонах с неустойчивыми грунтами.

Условия успешного процесса армирования внешних конструкций

Чтобы процесс усиления постройки прошёл максимально эффективно, следует обеспечить ряд таких условий:

• Надежное сцепление с поверхностью здания. Чем лучше армирующая сетка из углеволокна будет приклеена к конструкции, тем более эффективной будет передача усилий на неё.
• Отсутствие естественной влаги. Важно обеспечить сухость поверхности, армирование которой будет проводиться.
• Материалы, используемые в работе (особенно клеевые составы) должны отличаться высоким качеством и отличными характеристиками для обеспечения максимальной эффективности.

Профессиональное внешнее армирование углеволокном

Несмотря на возрастающую популярность использования углеродного волокна, технология его применения остаётся достаточно сложной для домашнего мастера. Потому если вы хотите осуществить строительные или ремонтные работы с таким композитным материалом, то следует доверить это профессионалам. Компания ИнноваСтрой уже много лет успешно осуществляет проекты по возведению объектов разной сложности.

Нашей фирме по силам любые задачи: начиная от проектирования постройки до сдачи готового объекта с отделкой. Что касается углеволокна, то это очень дорогой материал, который требует определенных навыков его монтажа, а также наличие специального оборудования. Для успешного выполнения армирования следует подготовить поверхность и сам композитный материал, правильно осуществить его монтаж (что зависит от типа конструкции), а затем грамотно нанести следующие слои.

ИнноваСтрой готова взяться за весь спектр работ по армированию постройки, а также выполнить ремонтные работы уже готовых сооружений с укреплением их карбоном. Мы работаем в строительной сфере уже не первый год и знаем территориальные особенности каждого региона, а потому сможем рассчитать целесообразное количество материала.

Сотрудничество домов и коттеджей с нами является гарантией таких преимуществ:

• Мы можем проводить встречи с клиентами удаленно. Данная функция наиболее выгодна, когда у заказчика нет возможности посетить наш офис лично. В таком случае, мы предлагаем связь по Скайпу или посредством другой удобной программы.
• Приемлемые цены на услуги строительной компании . Стоимость наших работ всегда очень разумна и рассчитывается исходя из определенных критериев.
• Индивидуальный подход. Каждый клиент очень ценен для нас, потому мы выслушиваем все ваши требования или пожелания по проекту и выполняем работу так, как было согласовано.
• Широкий спектр предоставляемых услуг. Наш штат имеет квалифицированных специалистов из разных отраслей строительства и отделки помещений.

Убедиться в нашем профессионализме вы можете, связавшись с менеджером компании по телефону. Мы с радостью ответим на все ваши вопросы и предоставим консультацию. Настало время заказать индивидуальный проект дома и получить жилье своей мечты!

Углепластики (карбопластики, углеродопласты) — это композиты, содержащие в качестве наполнителя углеродные волокна. Этот сравнительно новый класс ПКМ получил в последние годы наиболее интенсивное развитие благодаря своим уникальным свойствам, а именно:

• высоким значениям прочности и жесткости
• низкой плотности
• химической инертности
• тепло- и электропроводности
• высокой усталостной прочности
• низкой ползучести
• низким значениям коэффициента линейного термического расширения
• высокой радиационной стойкости

Важным фактором, определяющим в некоторой степени перспективность углепластиков, является их хорошая технологичность, позволяющая перерабатывать углепластики в изделия на стандартном технологическом оборудовании с минимальными трудовыми и энергетическими затратами.

В зависимости от вида углеродного армирующего наполнителя, его текстурной формы и геометрических размеров углепластики можно разделить на три группы:

• углеволокниты
• углетекстолиты
• углепресволокниты

Углепластики на основе непрерывных ориентированных углеродных нитей, жгутов и ровниц составляют группу углеволокнитов. Наиболее представительная группа углепластиков — углетекстолиты, в которых в качестве армирующего наполнителя используют тканые ленты и ткани различных текстурных форм. Углепластики на основе дискретных волокон составляют группу углеволокнитов.

Армирующие наполнители

Процесс изготовления углеродных волокон заключается в последовательном температурном и механическом воздействиях на исходные органические волокна, приводящих к их карбонизации, графитации и совершенствованию структуры.

На первом этапе нагрев исходных растянутых волокон до температуры 220 °С приводит к образованию поперечных химических связей между макромолекулами полимера.

На втором этапе нагрев до температуры 1000 °С позволяет получить так называемые карбонизованные волокна, на 80…95 % состоящие из элементарного углерода и обладающие достаточно высокой прочностью.

На третьем этапе (термообработка до температуры 1500…2000 °С) получают конечный продукт — графитизированное углеродное волокно с кристаллической структурой, близкой к структуре графита. В зависимости от условий получения и типа исходного сырья предел прочности и модуль упругости углеродных волокон находятся соответственно в пределах 2…3,5 ГПа и 220…700 ГПа. Наибольшей прочностью обладают волокна, которые при нагреве на последнем этапе (Т = 1600 °С) имеют мелкокристаллическую структуру. Высокомодульные материалы получают в результате растяжения волокна при температуре 2700 °С.

В качестве армирующих элементов углеродные волокна применяют в виде жгутов, лент и тканей. Они являются более хрупкими и менее технологичными, чем стеклянные, отличаются химической инертностью, низкой поверхностной энергией, обусловливающей плохое смачивание волокон растворами и расплавами матричных материалов, что в итоге приводит к низкой прочности сцепления на границе «волокно-матрица». Основное достоинство — высокая жесткость. Механические характеристики остаются постоянными до температуры 450 °С, что позволяет применять углеродные волокна с полимерной и металлической матрицами. Волокна характеризуются отрицательным коэффициентом линейного расширения, что в совокупности с положительным коэффициентом у матрицы позволяет синтезировать композиции для конструкций, сохраняющих свои размеры при температурном воздействии. Углеродные волокна используют для изготовления элементов, необходимая жесткость которых является условием, снижающим эффективность применения материалов, армированных стеклянными волокнами. Стоимость углеродных волокон на два порядка выше, чем стеклянных.

Полимерные матрицы

Полимерная матрица определяет эксплуатационные и технологические свойства углепластика. Для углепластиков используют как термореактивные, так и термопластичные матрицы. Из термореактивных матриц наибольшее рас-пространение получили эпоксидные связующие: эпоксидно-анилинофенолформальдегидное марки 5-211-Б, эпоксинаволачное — УНДФ, эпоксидное модифицированное диапластом — УП-2227, на основе тетрафункциональной эпоксидной смолы связующее — ВС-2526к, на основе смеси трех эпоксидных смол связующее — ЭДТ-69Н. Применение эпоксидных матриц обеспечивает получение углепластиков с высокими прочностными характеристиками, водостойкостью и химической стойкостью, хорошей эксплуатационной надежностью и ресурсом.

Из термопластичных матриц нашли применение полиимидная СП-97, полиамидоимидная ПАИС-104 и полисульфон, обеспечивающие работоспособность углепластиков при более высоких температурах (особенно полиимидная матрица — до 200…300 °С). Основной недостаток этих матриц — трудность изготовления на их основе полуфабрикатов (пропитанных лент — препрегов) и высокие температуры их отверждения.

Длительное тепловое воздействие может вызвать неотвратимое изменение химической структуры полимеров вследствие протекания термодеструкции. При длительном воздействии переменной механической нагрузки и недостаточном теплоотводе может произойти переход от механического разрушения материала к тепловому за счет диссипации механической энергии в тепловую.

Физико-механические свойства углепластиков

Уровень свойств углепластиков зависит от характеристик применяемых углеродных волокон, вида и текстурной формы армирующего наполнителя, упругопрочностных свойств полимерной матрицы, качества раздела «волокно-матрица», от технологии переработки и структуры армирования материала. Накоплен значительный объем информации о физико-механических свойствах эпоксидных углепластиков, их поведении при различных видах нагружения (статика, повторная статика, динамика) и деформировании (растяжение, сжатие, сдвиг, срез, смятие), а также о ресурсе и сроке их эксплуатации в различных изделиях. В таблице представлены данные о свойствах однонаправленных углепластиков.

Углепластики обладают достаточно высокой длительной прочностью и низкой ползучестью благодаря высокой жесткости и низкой деформагивности углеродных волокон. Коэффициент длительного сопротивления Rt углепластиков в диапазоне рабочих температур t = 80…200 °С и при длительности нагружения r = 500… 1000 ч при растяжении и сжатии составляет 0,5…0,9 % от величины кратковременной прочности материала. Ползучесть углепластиков при длительном нагружении нагрузкой, составляющей (0,4 — 0,5) GВ, как правило, не превышает 0,1…0,5 %. Указанные характеристики благоприятно влияют на работоспособность материала при длительном нагружении с высоким уровнем действующих напряжений.

Углепластики обладают наибольшей среди известных КМ усталостной прочностью. Коэффициент усталостного сопротивления в зависимости от вида и степени асимметрии цикла равен (0.5…0,7) GВ, т. е. в 2-3 раза выше, чем у стеклопластиков, что связано также с высокими значениями модуля упругости углеродных волокон и как следствие более низким уровнем напряжений и меньшей повреждаемостью полимерной матрицы.

Выносливость углепластика может быть оценена через свойства и состав его компонентов следующим образом:

GR= GМ*GB* (EВ/EМ)*K.

Из уравнения следует, что усталостная прочность композита прямо пропорциональна прочности матрицы GМ и модуля упругости армирующих волокон ЕВ и обратно пропорциональна модулю упругости матрицы ЕМ. Коэффициент К характеризует степень использования прочности матрицы при циклическом нагружении и учитывает наряду с природой матрицы влияние технологии изготовления композита и уровень внутренних остаточных напряжений.

По сравнению с другими ПКМ углепластики обладают меньшей удельной ударной вязкостью, трещиностойкостью и остаточ- ностью к концентрации напряжений. Значительное влияние на чувствительность углепластиков к концентрации напряжений оказывает структура армирования и направление приложения нагрузки по отношению к ориентации волокон.

Так, при растяжении под углом ±45° к направлению армирования прочность углепластика очень мало зависит от размера концентратора. Мелкие дефекты, например, отверстия диаметром, не превышающим 4 мм, тоже почти не влияют на прочность углепластика квазиизотропной структуры как при кратковременном, так и при длительном статическом и усталостном нагружении.

Повышение остаточной прочности и вязкости разрушения углепластиков возможно путем создания гибридного (поливолокнистого) материала в виде чередования сплошных слоев углеродных и стеклянных, углеродных и органических наполнителей либо в виде периодически расположенных высокомодульных (борных) или низкомодульных (стеклянных с армированием ±45°) стопоров трещин. Применение высокомодульных стопоров приводит к перераспределению большей части нагрузки на стопоры в вершине трещины, а эффективность низкомодульных стопоров заключается в создании зоны низких напряжений с повышенной вязкостью разрушения, которая препятствует распространению трещины.

Ударную вязкость материала, пренебрегая прочностью матрицы, определяют параметром ((Ga)^2/2Е)*VВ (где Ga — реализованная прочность волокна в композите), поэтому для повышения ударной вязкости углепластиков целесообразно вводить в них высокопрочные, но низкомодульные волокна, какими являются стеклянные или органические волокна. Ударную вязкость поливолокнистого материала, содержащего низкомодульные волокна в количестве V2 с модулем упругости Е2 при реализации прочности волокон в композите G2 и высокомодульные волокна в количестве V1 с модулем упругости Е1 и реализованной прочностью углеродного волокнита в композите G1, можно определить по выражению:

a = ((G1^2)/2E1)V1 + ((G2^2)/2E2)V2

Демпфирующая способность углепластика определяется в основном рассеиванием энергии в матрице, сопровождающимся переходом механической энергии в тепловую, химическую и электрическую, и существенно зависит от уровня нагружения, структуры армирования материала и рабочей температуры. Если однонаправленные углепластики имеют уровень демпфирующей способности вдоль волокон 0,5… 1,0 %, то в диагонально-армированном углепластике она возрастает в 5-7 раз.

Рост механических потерь с увеличением температуры объясняется снижением модуля сдвига углепластика, что связано со значительными физическими изменениями, происходящими в полимерных связующих при повышении температуры. С уменьшением модуля сдвига наблюдается монотонное повышение коэффициента механических потерь.

Рис. Зависимость предела прочности (1) и модуля упругости при растяжении (2), логарифмического декремента затухания (3) от структуры армирования углепластика КМУ-4э

Рис. Зависимость логарифмического декремента от модуля сдвига полимерной матрицы для углепластиков КМУ-Зл, КМУ-1лм, КМУ-4э при температуре: 20 °С (7), 100 °С (2), 150 °С (5), 180 °С (4), 200 °С (5)

Теплофизические характеристики углепластиков зависят от типа волокон, типа и объемного содержания матрицы, содержания пор в матрице, температуры испытаний. Для различных углепластиков они существенно не различаются и находятся в следующих диапазонах:

• для коэффициентов теплопроводности 0,5… 1,0 Вт/м*С;
• для коэффициентов термического расширения (-1,5.. .0,5)*10-6/°С;
• для коэффициента теплоемкости 0,8… 1,5 ккал/кг * °С.

Имеющиеся сведения о поведении углепластиков под влиянием различных факторов внешней среды и в условиях, близких к эксплуатационным, могут быть использованы для прогнозирования их ресурсных характеристик.

Среди разнообразных видов воздействия наиболее опасным и отрицательно влияющим на структуру и свойства для всех ПКМ является климатическое термовлажностное циклирование, чередующееся или сочетающееся с рабочими тепловыми или механическими нагрузками. Свойства углепластиков в сухом состоянии при комнатной и повышенной температурах и после длительного термостарения изменяются незначительно. При совместном действии влаги и температуры наблюдаются структурные превращения в матрице и на границах раздела «волокно-матрица», вызывающие ухудшение характеристик. Механизм изменения свойств, обусловленный сорбцией влаги, связан с двумя основными процессами: потерями температурной прочности и жесткости вследствие пластификации матрицы в объеме и в приграничном слое и потерями из-за микро- и макрорастрескивания матрицы. В зависимости от типа материала их предельное влагопоглощение различается в 1,5-2 раза и составляет для наиболее влагостойких материалов 1 %.

Уровень безопасного содержания влаги в углепластиках составляет 0,6…0,7 %; дальнейшее увеличение содержания влаги может привести к снижению упругопрочностных характеристик углепластиков при максимальной рабочей температуре на 15.. .20 %.

Технологические приемы переработки углепластиков аналогичны технологии переработки СП. В зависимости от формы и геометрических размеров детали применяются соответствующие методы формования: прессование, автоклавное формование, намотка, пултрузия, вакуумное или пресскамерное формование, пропитка под давлением. Главное в технологическом процессе — обеспечить выполнение требований к основным технологическим параметрам проведения режима формования (температура формования и скорость подъема температуры, величина и время приложения давления формования, время выдержки на отдельных режимах формования, скорость и температура охлаждения).

Области эффективного применения углепластиков

По комплексу свойств углепластики существенно превосходят традиционные стали, алюминиевые и титановые сплавы, обладая повышенными удельной прочностью и жесткостью, высокой усталостной и длительной прочностью, возможностью регулирования анизотропии свойств, широким комплексом тепло- и электрофизических характеристик, многофункциональностью назначения. Углепластики находят все более широкое применение в различных отраслях промышленности.

В технике объем внедрения углепластиков в 70-90-е годы XX века увеличивался интенсивно: от 2…4 % (от веса конструкции) до 25…60%.

В конструктивных решениях выполнения деталей из углепластиков можно выделить три направления:

• монолитные конструкции
• трехслойные панели (в основном с сотовым заполнителем)
• комбинированные (металлопластиковые) конструкции

В каждом конкретном случае необходимо оценивать весовую, техническую и эксплуатационную эффективность конструкции.

Основная тенденция применения углепластиков — создание крупногабаритных элементов конструкций. При этом резко со-кращается количество входящих деталей, появляется дополнительное снижение массы конструкции за счет уменьшения количества узлов соединений. Применение углепластиков в авиационных конструкциях позволяет снизить их массу на 20…40 %, повысить жесткость элементов конструкций на 30…50 %, выносливость — в 3-4 раза, а в некоторых случаях увеличить и прочность конструкций. В космической технике с применением углепластиков изготовляются высоконаправленные антенны, микроволновые фильтры и волноводы, оптические телескопы, рамы солнечных батарей, корпуса ракетных двигателей, различные ферменные конструкции, корпуса ракет и транспортных контейнеров.

Зарубежная и отечественная практика показала целесообразность использования углепластиков:

• в автомобильной промышленности — для изготовления кузовов легковых и кабин грузовых автомобилей, дверей, бамперов, цистерн для перевозки топлива, однолистовых рессор и рычагов подвески, ободьев колес, труб карданных передач, корпусов двигателей, деталей шатунно-поршневой группы (шатунов, поршней, поршневых колец, клапанов и т. д.);
• в судостроении — для корпусов морских и речных судов, корпусов малых тральщиков, в панелях, перегородках, палубных надстройках, для гребных винтов, для изготовления глубоководных аппаратов;
• в сельхозмашинах — для изготовления прицепного сельскохозяйственного оборудования;
• в станкостроении — для станин станков, вращающихся деталей электрооборудования, маховиков, аккумуляторов кинетической энергии, для деталей машин с высокими скоростями вращения, для роботов, манипуляторов.

Благодаря высокой устойчивости к действию химически агрессивных жидкостей и газов углепластики успешно применяются в химическом машиностроении для изготовления реакторов, трубопроводов центрифуг, лопастей насосов, осадительных ванн, выхлопных труб. В конструкции ткацких станков из углепластиков изготовляют подборочные и направляющие стержни, ремизные рамы, рапиры, спицы, тяги, что позволяет увеличить срок службы деталей, повысить износостойкость, уменьшить величину усилий, поднять производительность станков, уменьшить энергозатраты.

Высокая радиационная стойкость углепластиков делает их применение весьма эффективным в нейтронном оборудовании, для изготовления контейнеров и перевозки радиоактивных материалов, для захоронения радиоактивных отходов.

Благодаря хорошей электропроводности углеродных волокон углепластики на их основе успешно применяются в качестве нагревательных элементов для обогрева помещений, одежды, животноводческих ферм.

Высокая биологическая и механическая совместимость углеродных волокон с тканями живого организма определяют перспективу их применения в медицинской технике.

Низкий коэффициент линейного термического расширения углепластиков позволяет их использовать в криогенной технике при изготовлении баллонов для хранения сжиженных газов, а также для трубопроводов, клапанов.

Углепластики с высокой термостойкостью находят применение в металлургии в качестве арматуры и футеровки печей, деталей приборов, погруженных в жидкие металлы, деталей и узлов металлургических станков. Все чаще углепластики используются в строительстве для изготовления панелей жилых домов, балок, пролетов мостов, кранов.

В электротехнической промышленности углепластики эффективны для создания лопастей ветроэнергетических установок различной мощности, в электродвигателях, приборных панелях, для изготовления опор линии электропередач, в изоляторах для линий высоковольтных передач, для защиты от электромагнитных волн, в антеннах средств связи, радиоприборах, диффузорах громкоговорителей.

В железнодорожном транспорте эффективно применение углепластиков для изготовления вагонов, контейнеров, узлов подвески.

В нефтяной и газовой промышленности углепластики находят применение в трубах для бурения глубоких скважин, в газопроводах.

Углепластики широко используются при изготовлении спортивного инвентаря, спортивных самолетов. Они существенно позволяют снизить массу, повысить жесткость и летные качества самолетов и планеров, ходовые качества гоночных судов, яхт, байдарок, каноэ. Из них изготовляют гоночные велосипеды, мотоциклы, шесты, весла, ракетки для гольфа, тенниса, луки, стрелы, удочки, хоккейные клюшки, лыжи, лыжные палки и пр.

Углеродные волокна отличаются от стали тем, что они намного прочнее и обладают меньшим весом. Тот, кто их изобрел — несомненно, гений. Примечательно, что один из пилотов , Джонсон, участвовал в 80-х годах в гонках на автомобиле, изготовленном из углерода. Несмотря на неплохие результаты, которые он тогда продемонстрировал, с тех пор этот материал не получил широкого распространения. Основная причина - его дороговизна. На сегодняшний день самым доступным автомобилем, который изготовлен из углерода, является Alfa Romeo 4S. Впрочем, он стоит столько же, сколько и . А вот стоимость таких «углеродных» машин, как Maclaren и Lamborghini Aventadors, достигает шестизначных чисел в долларовом выражении. К сожалению, их производителям так и не удалось сделать углерод настолько же доступным, как и алюминий. Но почему?

Именно поэтому мы отправились в Италию, где инженеры Lamborghini, облаченные в черные халаты, «колдуют» над углеродом. По какой причине они до сих пор не смогли сделать этот материал доступным?

Углерод против стали

Сейчас для создания деталей используются жидкий , сталь, магний. Сначала их разогревают до необходимой температуры, а затем заливают в специальные формы. При этом данные материалы позволяют создавать не только отдельные детали, но и объединять их воедино. Вот только проделать то же самое с углеродом не получится. Чтобы с ним можно было работать, его требуется поместить в морозильник. То есть, в отличие от той же стали, он не переносит высокой плюсовой температуры.

Специальные рулоны из углеродного волокна, заполненные смолой и обработанные специальным клеем, помещаются в холодильники, где хранятся при нулевой температуре. Достаточно лишь увеличить температурный режим на пару градусов, и смола тут же затвердеет. К слову, разрезать углеродные заготовки с помощью лазера не получится. Для этих целей необходимо использовать лезвие. Углеродные волокна, которые поместили в холодильник, остаются податливыми лишь в течение суток. По прошествии 24 ч. они уже не поддаются обработке.

Так что инженерам из Lamborghini необходимо поторопиться. Но прежде они должны разогреть заготовки, чтобы смола затвердела. Женщина по имени Пиера нагревает материал феном. Делает она это предельно аккуратно, так как понимает, что слишком высокая температура может сделать углерод менее податливым.

Инновационные технологии и ручная работа

Стоит уточнить, что мы посетили завод Lamborghini не впервые — 10 лет назад нам уже доводилось здесь бывать. Так же, как и сейчас, мы тогда наблюдали за работой женщины. Вот только она обрабатывала не углеродные заготовки — женщина вручную сшивала обшивку сидений Murselago. В тот момент показалось, что это неэффективно — о каком массовом производстве автомобилей можно говорить, если всю работу выполняют не роботы, а люди? И вот теперь я снова наблюдаю подобную картину. Итальянка, как и 10 лет назад, все делает своими руками. Конечно, ручная обработка углерода занимает много времени, но на сегодняшний день это самый экономичный способ изготовить необходимую деталь.

Лучано Де Ото, руководитель композиционного исследовательского Центра компании «Lamborghini» уверяет, что ручная обработка углерода - наиболее эффективный метод изготовления той или иной детали. По крайней мере, данное утверждение касается небольшого объема работ. Если же, например, необходимо изготовить 2 тыс. деталей, то без автоматизации процесса не обойтись. Но в таком случае углеродные детали получатся недостаточно качественными.

Для того, чтобы придать углеродным волокнам необходимую структуру, требуется запечатать углеродный лист в пластиковую форму и выкачать оттуда весь воздух. Как только последний будет полностью удален из формы, нужно создать дополнительный вакуум. Эта процедура повторяется до тех пор, пока каждый слой углерода не лишится воздуха. Безусловно, это весьма утомительно. Например, компания BMW имеет соответствующие роботизированные производственные линии, которые значительно упрощают этот процесс. Тем не менее, он все равно остается долгим и трудоемким.

Изготовление углеродных деталей требует не только больших временных затрат, но и энергетических. Ведь для того, чтобы сделать этот материал податливым, необходимо раскалить печь до 400 градусов. При этом она должна работать в таком режиме на протяжении 6 часов. Представляете, какие затраты на электроэнергию? Впрочем, компания Lamborghini удешевила этот процесс. На крыше завода установлены фотоэлектрические солнечные батареи на 1,2 МВт. Конечно, это капля в море, но все же экономия ощутима.

Массовое производство

Пока инженеры работают с углеродом, мы направились в цех, где другие рабочие Lamborghini изготавливают кованые детали. В отличие от первых, последние используют грубые углеродные волокна, которые еще называют рубленными. Из них автоматизированные машины формируют квадратные листы, которые прессуют в специальные формы и нагревают до температуры в 300 градусов. Такой метод обработки углерода позволяет изготовить необходимую деталь в течение 20 мин.

Полученные подобным способом углеродные детали не отличаются высоким качеством. Лучано Де Ото говорит, что ручная обработка углеродных волокон никогда не позволит создать доступные детали, стоимость которых будет сопоставима с алюминиевыми. Что же касается автоматизированной производственной линии, то он уверен, что через 10 лет технологии позволят усовершенствовать ее до такой степени, что изготовленные на ней углеродные детали не будут уступать по качеству тем, которые создаются вручную. В настоящий момент рубленными углеродными элементами, полученными механическим способом, оснащена .

Нет никаких сомнений, что Lamborghini не откажется от ручной обработки углерода и в будущем, так как всегда найдутся автолюбители, которые захотят приобрести эксклюзивный автомобиль. Правда, им придется набраться немного терпения — на изготовление такой машины уходит примерно 3 недели.

Интересные факты

1. Томас Эдисон сделал углеродные волокна из бамбука и хлопка, используя их в качестве нити накала в лампочках.
2. При помощи углеродных волокон компания «Boeing» осуществляет ремонт своих самолетов.
3. Примерно 70% углеродного волокна производится в Японии.

Каспер Стенберген, глава отдела по ремонту композитных материалов на Lamborghini, не доволен тем, что сейчас таможни многих стран не желают возиться с углеродными волокнами. То есть, владельцы машин, изготовленных из композита, в случае повреждения обшивки авто не могут рассчитывать на быстрый ремонт, не везти же им свои Lamborghini в Италию.

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.

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.