Углеволокно что это такое


Углеволокно (карбон) - характеристики, производство, применение

Также называемый карбон, углепластик или материал из углеродного волокна (углеволокно) состоит из очень тонких углеродных нитей. Углеродные волокна имеют высокую прочность на разрыв для своих размеров. Каждое волокно имеет диаметр 5-10 мкм. Чтобы дать представление о том, как это мало, один микрон (мкм) составляет 0,001 мм. На данный момент карбон является самым популярным композитным материалом. Карбон в два раза жестче и в пять раз прочнее стали (на единицу веса). Он также обладает высокой химической стойкостью, устойчивостью к высоким температурам и низким тепловым расширениям. Углеволокно играет важную роль в конструкционных материалах, аэрокосмической отрасли, спортивных автомобилей и музыкальных инструментах - это лишь некоторые примеры. Углеродное волокно изготовлено из органических полимеров, которые состоят из длинных цепочек молекул, удерживаемых вместе атомами углерода. Большинство углеродных волокон (около 90 процентов) изготавливаются из процесса полиакрилонитрила (PAN). Небольшое количество (около 10 процентов) производится из вискозного или нефтяного пека. Газы, жидкости и другие материалы, используемые в процессе производства, придают требуемые характеристики углеродному волокну. Углеродное волокно высочайшего качества с лучшими модульными свойствами используется в сложных условиях, таких как аэрокосмическая промышленность. Производители углеродного волокна отличаются друг от друга комбинациями сырья, которое они используют. Они обычно скрывают конкретные составы как коммерческий секрет. В процессе производства сырье вытягивают в длинные нити или волокна. Из волокон сплетают ткань, который, в свою очередь, объединяют с другими материалами. Необходимые формы получают методом формовки или наматыванием поверх шаблона. Обычно в производстве углеродных волокон есть пять этапов: 1. Спиннинг. Пан смешивают с другими ингредиентами и раскручивают в волокна, которые промывают и растягивают. 2. Стабилизация. Химическая стабилизации связей. 3. Карбонизация. Стабилизированные волокна нагревают до очень высокой температуры, образуя плотно связанные кристаллы углерода. 4. Обработка поверхности. Поверхность волокон окисляется для улучшения связующих свойств. 5. Определение размеров. Волокна покрыты и намотаны на бобины, которые загружаются в прядильные машины, которые скручивают волокна в нити разных размеров. Для формирования композитных материалов используют тепло, давление или вакуум и связывают волокна вместе пластиковым полимером. Углеродное волокно часто путают со стекловолокном, и, хотя в производстве есть сходства они различаются. Стекловолокно - это полимер, который армирован ткаными нитями из кварцевого стекла, а не из углерода. Углеродные композиты прочнее, а стекловолокно обладает большей гибкостью. Оба имеют различные химические составы и каждый имеет свое применение. При проектировании композитных деталей нельзя просто сравнивать свойства карбона со сталью, алюминием или пластиком. Для сравнения, в материале из углеродного волокна прочность находится вдоль оси волокон, и, таким образом, свойства и ориентация волокон сильно влияют на механические свойства. Детали из углеродного волокна, как правило, не являются ни гомогенными, ни изотропными. Базовая панель из углеродного волокна с гладким переплетением имеет отношение жесткости к массе на 18% больше, чем у алюминия, и на 14% больше, чем у стали. Использование различных переплетений дает значительно более высокое отношение жесткости к массе. Производство углеродных волокон сопряжено с рядом проблем, в том числе: • Процесс обработки поверхности должен быть тщательно отрегулирован, чтобы избежать образования пусто, которые могут привести к повреждению волокон. • Требуется строгий контроль для обеспечения постоянного качества. • Вопросы здоровья и безопасности • Раздражение кожи • Раздражение дыхания • Замыкания в электрооборудовании из-за сильной электропроводности углеродных волокон. Углеродное волокно нелегко производить в массовом порядке и поэтому очень дорого. Велосипед из углеродного волокна легко перевалят за тысячи долларов, а его использование в автомобилестроении по-прежнему ограничено экзотическими гоночными автомобилями. На рынке существуют материалы имитирующие карбон, такие как пленки под карбон. Однако имитация часто представляет собой только частично углеволокно или просто пластик, выполненный в виде углеродного волокна. Переработка углеволокна очень сложный процесс. Единственный доступный метод для полной рециркуляции - это процесс, называемый термической деполимеризацией, при котором материал из карбона греется в бескислородной камере. Освобожденные волокна можно использовать повторно, а все связующие материалы (эпоксидная смола, винил и т. д.) сгорают. Из-за его высокой прочности на разрыв и легкого веса многие считают углеродное волокно самым значимым производственным материалом нашего времени. Углеродное волокно играет все более важную роль в таких областях, как: • Энергетика: лопасти ветряных мельниц, хранение и транспортировка природного газа, топливные элементы. • Автомобилестроение: технология углеродного волокна, используемая в настоящее время только для высокопроизводительных транспортных средств, получает все более широкое применение. В декабре 2011 года General Motors объявила, что работает над композитами из углеродного волокна для массового производства автомобилей. • Строительство: Легкий сборный железобетон, защита от землетрясений. • Авиация: оборонная и коммерческая авиация. Беспилотные летательные аппараты. • Разведка нефти: глубоководные буровые платформы, бурильные трубы. • Углеродные нанотрубки: полупроводниковые материалы, космические аппараты, химические сенсоры и другие применения. В 2015 году объем рынка углеродного волокна составил 2,25 миллиарда долларов. Согласно прогнозам, к 2024 году рынок увеличится до 31 млрд. долларов.
Новые машины сбивают с толку. Со всеми компьютерами, датчиками и гаджетами может показаться, что под капотом происходит какое-то колдовство. Мы здесь, чтобы показать вам, как работают современные автомобильные компьютерные системы управления. ... Иридий - чрезвычайно твердый металл. Помимо твердости, основным его свойством является чрезвычайно высокая температура плавления (почти 2500 градусов Цельсия). С конца 20-го века иридий использовался в виде сплава в... Диоды - это электронные устройства, которые пропускают электрический ток только в одном направлении. Благодаря этому свойству диоды используются для преобразования переменного тока в постоянный. В автомобильной электрической системе диоды можно найти... Автомобильный регулятор напряжения контролирует напряжение, генерируемое автомобильным генератором для подзарядки аккумулятора. Регулятор заставляет генератор поддерживать напряжение от 13,5 до 14,5 Вольт. Этого достаточно, чтобы безопасно подзарядит...
Новые машины сбивают с толку. Со всеми компьютерами, датчиками и гаджетами может показаться, что под капотом происходит какое-то колдовство. Мы здесь, чтобы показать вам, как работают современные автомобильные компьютерные системы управления. ... Задний спойлер является одним из самых ярких внешних элементов, которые вы можете самостоятельно установить на свой автомобиль. Правильный спойлер придаст вашему автомобилю спортивный вид. Подавляющее большинство сп... Во время Первой Мировой войны возникла острая потребность в создании бронированной техники, которая обладала бы высокой огневой мощью и отличной проходимостью. Именно танки стали образцом мощного вооружения, отличной подвижности и надежной защиты. А... Иридий - чрезвычайно твердый металл. Помимо твердости, основным его свойством является чрезвычайно высокая температура плавления (почти 2500 градусов Цельсия). С конца 20-го века иридий использовался в виде сплава в...

24techno-guide.ru

Углеродное волокно – характеристики и особенности хранения

В наиболее ответственных изделиях применяют углекомпозиты (углепластики). Согласно расчетам, среди всех возможных соединений, на основе периодической системы элементов, графит имеет самые высокие прочностные и термические характеристики. Углеродное волокно имеет один из наиболее высоких показателей по удельной прочности среди других  волокон. Имеет высокую стойкость к кручению и усталости. Уступая лишь в ударной прочности арамиду и стеклу.

Углеродное волокно-производство

Столь высокую стоимость углеродного волокна обуславливает сложность и энергоемкость процесса его получения.  Смысл процесса состоит в поэтапной чистке углеродосодержащих нитей от ненужных атомов, оставляя в конце процесса до 99% углерода в объеме нити.

УВ получают путем термического разложения (пиролизом) исходных нитей: гидратоцеллюлозных, полиакрилонитрильных (ПАН). Так же нефтяных или каменноугольных пеков. В настоящее время, промышленное значение имеет производство УВ на базе вискозы или ПАН.

Процесс получения УВ на основе ПАН

Следует заметить, что химический состав и структура УВ зависит от состава исходного сырья.

В первую очередь, полиакриловые жгуты подвергают окислению, проводя термическую обработку на воздухе при температуре около 200 °С.

Окисленный ПАН так же представляет интерес в некоторых сферах производства как термостойкий и трудно горючий материал.

После окисления, полотно проходит через печи карбонизации (около 1500 °С) и графитизации (около 3000 °С). На этой стадии удаляются остатки водорода и гетероатомов, происходит образование двойных связей между атомами углерода. Процессы карбонизации и графитизации проводятся в инертной среде.

В завершении процесса карбонизации (в некоторых случаях стадия графитизации может исключаться) жгут имеет готовый химический состав и структуру, но проходит еще ряд этапов для повешения адгезии с матрицей:

— обработка поверхности. Поверхность карбонового полотна вследствие данной реакции становится «шероховатой». Обнажая атомы углерода и создавая свободные функциональные группы способные к ионному обмену.

— нанесение ПАВ (поверхностно активное вещество). Оно же, так называемое аппретирование. В качестве аппрета чаще наносятся эпоксидные смолы без отвердителя. Аппрет защищает от истирания в процессе хранения, транспортировки и текстильной переработки. Вытесняет из пор влагу и воздух.

Этап сушки после нанесения аппрета является завершающим этапом, после которого жгуты наматываются на бобины  (обычно массой до 8 кг).

Характеристики углеродного волокна

Модуль упругости. УВ обычно группируются в соответствии со своим модулем:

  • Низкомодульное (HS): 160-270 ГПа;
  • Средний модуль (IM): 270-325ГПа;
  • Высокомодульное (НМ): 325-440 ГПа;
  • Сверхвысокий модуль (UHM): 440+ ГПа;

Диаметр и количество элементарных нитей. Каждый жгут  состоит из тысяч элементарных нитей (филаментов).  Диаметр такой углеродной нити: 5-7 мкм, что в 2-3 раза тоньше человеческого волоса.  В маркировке у любого типа волокна есть обозначения: 3К, 6К, 12К, 24К- это и есть количество филаментов в жгуте  (в тысячах).

Линейная плотность. Кроме обычной плотности, у волокон принято выделять так же линейную. Измеряется она в тексах (tex). Если линейная плотность  указана 800 tex, значит, километр этого жгута имеет массу 800гр.

Прочностные характеристики

Итоговое значение прочности, указываемое в сертификатах качества и т.д. снимается уже с пропитанного и отвержденного жгутика (микропластика). Микропластик- жгут  пропитанный полимерным связующим и отвержденный при воздействии растягивающего напряжения.

УВ достаточно хрупкое поэтому не имеет большого смысла снимать с него прочностные характеристики в непропитанном виде. Так же, для конечного потребителя важнее знать свойства углеродного волокна в отвержденной полимерной матрице, то есть в композите. Поэтому в чаще всего указывают:

  • Прочность при растяжении комплексной нити в микропластике. ГПа
  • Модуль упругости при растяжении комплексной нити в микропластике. ГПа

Условия транспортировки и хранения углеродного волокна

  • Бобины должны храниться в крытых складских помещениях в упакованном виде, коробки должны находиться в горизонтальном положении.
  • Рекомендуемые условия хранения.
    • Температура: 0-40 °С. Хранение при минусовой температуре не рекомендуется.
    • Влажность: 40-80%.
  • Допускается перевозка в неотапливаемом транспорте при температуре до -30 °С.
  • Во избежание конденсации влаги на поверхности. Перед использованием, нераспакованные бобины должны быть выдержаны не менее 48 часов при температуре от 20 до 30 °С и влажности от 40 до 80%.
  • При правильных условиях хранения, производитель гарантирует сохранность свойств в течение 2 лет с даты производства.

Заключение

Надо понимать, УВ не является гарантией качества и гарантией сверх прочностных свойств изделия. Сами по себе углеродные  нити довольно хрупкие и ломкие. Без правильных условий полимеризации или при не правильном подборе матрицы или ее не совместимости с нитью можно и не достигнуть заявленных производителем свойств.  К тому же УВ уступает базальту и стеклу в некоторых видах мех. испытаний.  При том, что даже самое дорогое стекло и базальт в 10ки раз дешевле, чем самое дешевое углеродное волокно. В дополнение ко всему, по причине широкого применения углеродных волокон в оборонной промышленности, для того чтобы купить его за рубежом напрямую у производителя необходимо получение лицензии.

composite-materials.ru

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 сможет быть разным. Карбон и углепластик объединились в один термин, привнеся путаницу в головы потребителей. То есть карбон или углепластик — это одно и то же.

Это инновационный материал, высокая стоимость которого обусловлена трудоемким технологическим процессом и большой долей ручного труда при этом. По мере совершенствования и автоматизации процессов изготовления цена карбона будет снижаться. Для примера: стоимость 1 кг стали — менее 1 доллара, 1 кг карбона европейского производства стоит около 20 долларов. Удешевление возможно только за счет полной автоматизации процесса.

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.

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 сравнительной 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.

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%.

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.

Более высокая цена карбона по сравнению со стеклопластиком и стекловолокном объясняется более сложной, энергоемкоймногоэтапной технологией, дорогими смолами и более дорогостоящим оборудованием (автоклав). Но и прочность с эластичностью при этом получаются выше наряду со множеством других неоспоримых достоинств:

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

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

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

Существуют следующие основные методы изготовления изделий из углеткани.

1.   Прессование или «мокрый» способ

Полотно выкладывается в форму и пропитывается эпоксидной или полиэфирной смолой. Излишки смолы удаляются или вакуумформованием или давлением. Изделие извлекается после полимеризации смолы. Этот процесс может проходить или естественным путем или ускоряется нагревом. Как правило, в результате такого процесса получается листовой углепластик.

2.   Формование

Изготавливается модель изделия (матрица) из гипса, алебастра, монтажной пены, на которую выкладывается пропитанная смолой ткань. При прокатке валиками композит уплотняется и удаляются излишки воздуха. Затем проводится либо ускоренная полимеризация и отверждение в печи, либо естественная. Этот способ называют «сухим» и изделия из него прочнее и легче, чем изготовленные «мокрым» способом. Поверхность изделия, изготовленного «сухим» способом, ребристая (если его не покрывали лаком).

К этой же категории можно отнести формование из листовых заготовок — препрегов.

Смолы по своей способности полимеризоваться при повышении температуры разделяются на «холодные» и «горячие». Последние используют в технологии препрегов, когда изготавливают полуфабрикаты в виде нескольких слоев углеткани с нанесенной смолой. Они в зависимости от марки смолы могут храниться до нескольких недель в неполимеризованном состоянии, прослоенные полиэтиленовой пленкой и пропущенные между валками для удаления пузырьков воздуха  и лишней смолы. Иногда предпреги хранят в холодильных камерах. Перед формованием изделия заготовку разогревают, и смола опять становится жидкой.

3.   Намотка

Нить, ленту, ткань наматывают на цилиндрическую заготовку для изготовления карбоновых труб. Кистью или валиком наносят послойно смолу и сушат преимущественно в печи.

Во всех случаях поверхность нанесения смазывается разделительными смазками для простого снятия получившегося изделия после застывания.

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

Как следует из описанной выше технологии, для формования необходимо:

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

Где брать углеткань? Тайвань, Китай, Россия. Но в России это относится к «конструкционным тканям повышенной прочности на основе углеволокна». Если найдете выход на предприятие, то вам очень повезло. Много компаний предлагают готовые наборы для отделки автомобилей и мотоциклов карбоном «Сделай сам», включающих фрагменты углеткани и смолу.

70% мирового рынка углеткани производят тайваньские и японские крупные бренды: Mitsubishi, TORAY, TOHO, CYTEC, Zoltec и пр.

В общих чертах процесс изготовления углепластика своими руками выглядит так:

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

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

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

Ирина Химич, технический консультант

engitime.ru

Волокно углеродное: свойства, фото, получение, использование

Передовые отрасли промышленности и строительства за последнее время освоили немало принципиально новых технологий, большая часть которых связана с инновационными материалами. Обычный пользователь мог заметить проявление данного процесса на примере стройматериалов с включением композитов. Также в автомобилестроении внедряются карбоновые элементы, повышающие эксплуатационные качества спорткаров. И это далеко не все направления, в которых задействуются углепластики. Основой для данного компонента выступают углеродные волокна, фото которых представлено ниже. Собственно, в непревзойденных технико-физических качествах и заключается уникальность и активное распространение композитов нового поколения.

Технология получения

Для производства материала используют сырье в виде природных или химических волокон органического происхождения. Далее, в результате специальной обработки, от исходной заготовки остаются только углеродные атомы. Главной воздействующей силой является температура. Технологический процесс предусматривает выполнение нескольких этапов термообработки. На первой стадии происходит окисление первичной структуры в условиях температурного режима до 250 °C. На следующем этапе получение углеродных волокон переходит в процедуру карбонизации, в результате которой материал нагревается в азотной среде при высоких температурах до 1500 °C. Таким образом формируется графитоподобная структура. Завершает весь процесс изготовления финальная обработка в виде графитизации при 3000 °C. На этой стадии содержание чистого углерода в волокнах достигает 99 %.

Где применяется волокно углеродное?

Если в первые годы популяризации материал использовался исключительно в узкоспециализированных областях, то сегодня наблюдается расширение производств, в которых задействуется данное химволокно. Материал довольно пластичен и разнороден в плане возможностей эксплуатации. С большой вероятностью области применения таких волокон будут расширяться, но уже сегодня оформились базовые типы представления материала на рынке. В частности, можно отметить строительную сферу, медицину, изготовление электротехники, бытовых приборов и т. д. Что касается специализированных областей, то использование углеродных волокон по-прежнему актуально для производителей авиатехники, медицинских электродов и радиопоглощающих материалов.

Формы изготовления

В первую очередь это термоустойчивые текстильные изделия, среди которых можно выделить ткани, нити, трикотаж, войлок и т. д. Более технологичным направлением является изготовление композитов. Пожалуй, это наиболее широкий сегмент, в котором представлено волокно углеродное как основа изделий для серийного производства. В частности, это подшипники, термоустойчивые узлы, детали и различные элементы, которые работают в условиях агрессивных сред. Преимущественно композиты ориентированы на рынок автомобилестроения, однако и строительная область довольно охотно рассматривает новые предложения от изготовителей данного химволокна.

Свойства материала

Специфика технологии получения материала наложила свой отпечаток на эксплуатационные качества волокон. В результате высокая термическая стойкость стала главной отличительной чертой структуры таких изделий. Кроме тепловых воздействий, материал устойчив и к химическим агрессивным средам. Правда, если в процессе окисления при нагревании присутствует кислород, это губительно сказывается на волокнах. Зато механическая прочность углеродного волокна может составить конкуренцию многим традиционным материалам, которые считаются твердотельными и стойкими к повреждениям. Это качество особенно выражено в карбоновых изделиях. Еще одним свойством, которое имеет спрос среди технологов различной продукции, является способность абсорбции. Благодаря активной поверхности данное волокно можно рассматривать в качестве эффективной каталитической системы.

Производители

Передовиками в сегменте являются американские, японские и немецкие компании. Российские технологии в этой области практически не развивались последние годы и по-прежнему базируются на разработках времен СССР. На сегодняшний день половина изготавливаемых в мире волокон приходится на долю японских компаний Mitsubishi, Kureha, Teijin и др. Другую часть делят между собой немцы и американцы. Так, со стороны США выступает компания Cytec, а в Германии волокно углеродное производит фирма SGL. Не так давно в список лидеров этого направления вошло и тайваньское предприятие Formosa Plastics. Что касается отечественного производства, то разработками композитов занимаются лишь две компании – «Аргон» и «Химволокно». При этом серьезные достижения за последние годы сделали белорусские и украинские предприниматели, осваивающие новые ниши для коммерческого использования углепластиков.

Будущее углеродных волокон

Поскольку некоторые виды углепластиков уже в ближайшее время позволят выпускать изделия, способные сохранять изначальную структуру миллионы лет, многие специалисты предсказывают перепроизводство подобной продукции. Несмотря на это, заинтересованные компании продолжают вести гонку технологических обновлений. И во многом это оправдано, так как свойства углеродных волокон на порядок превосходят аналогичные качества традиционных материалов. Достаточно вспомнить прочность и термостойкость. Исходя из этих достоинств разработчики и осваивают новые направления развития. Внедрение материала, скорее всего, будет охватывать не только специализированные сферы, но и близкие к массовому потребителю области. Например, обычные пластиковые, алюминиевые и деревянные элементы могут заменяться углепластиком, который по целому ряду эксплуатационных качеств будет превосходить привычные материалы.

Заключение

Широкому распространению инновационному химволокну мешают многие факторы. Одним из самых существенных является высокая стоимость. Поскольку волокно углеродное требует задействования высокотехнологичного оборудования для изготовления, его получение может себе позволить далеко не каждая компания. Но и это не самое главное. Дело в том, что далеко не во всех сферах производители заинтересованы в столь радикальных изменениях качества продукции. Так, повышая долговечность одного элемента инфраструктуры, производитель не всегда может выполнить аналогичную модернизацию на смежных компонентах. В итоге получается дисбаланс, который сводит к нулю все достижения новых технологий.

fb.ru

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 106 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 м2/г, высокой прочности (3,6 Гн/м2). 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 ®).

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/м2.

Предыдущая12345678910111213141516Следующая

Дата добавления: 2017-01-13; просмотров: 5029; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

ПОСМОТРЕТЬ ЕЩЕ:

helpiks.org

Применение углеволокна (карбона) в строительстве

Беседка из углепластика

На сегодняшний день с изделиями из бетона и стали успешно соперничают материалы из шнуров, тканей, волокон и лент изготовленных из современных углеводородов. При этом такие материалы обладают небольшой толщиной и весом.

Даже холст толщиной всего в несколько миллиметров, пропитанный отвердевшей смолой по своей прочности превосходит 15 миллиметровый лист фанеры и в пять раз прочнее стали.

Что такое углеродные волокна

Улеволокно (карбон) представляет собой полимерно-композитный материал, в основе которого лежат углеродные нити. Имеет наибольшую популярность среди других пластиков и композитов. Имея четырёх кратную прочность на разрыв, чем у наилучших марок стали, углеволокно намного легче железа (на 75%) и алюминия (на 30%).

Углеродные нити достаточно ломкие и поэтому из них создают эластичное полотно. А добавление полимерных связующих составов  позволяет изготавливать углепластик, совершивший революцию во множестве сфер деятельности человека.

Для чего нужен карбон (углеволокно)

Углеродные волокна представляют собой альтернативу традиционным материалам, например, стали, алюминию, стеклопластику и для строительства легких ферм и каркасных конструкций.  Они обладают высокой прочностью, надежностью,  возможностью настройки, и имеют малый вес.

Углеволокно на данный момент пользуется большим спросом у строителей и ремонтников. Подобная популярность обусловлена высокой прочностью материала. Это качество очень важно при обустройстве внешнего армирования кирпичных, железобетонных и деревянных систем.

Конструкция, оклеенная углеволокном, получает дополнительно до 60 % прочности и до 110 % прочности на сжатие. Хоть и выглядит это не достаточно правдоподобно, все проверки по СНиП и ГОСТ это подтверждают. Поэтому, если собираетесь делать ремонт или занимаетесь строительством, можете в серьез подумать об усилении из карбона.

Усиление прочности конструкции позволяет сократить размеры основания. Углеволокно удерживает на себе значительные нагрузки, самое главное, чтобы было, куда его приклеить. Сокращение необходимого материала за счет использования современного карбона является актуальным мероприятием для отдаленных регионов, куда сложно доставить тяжелые строительные материалы.

Помимо этого углеволокно сейчас используют при ремонте несущих элементов из камня. Путем армирования восстанавливаются балки и опоры бетонных мостов. Как правило, используется карбон в промышленности, но может применяться и в частном строительстве, где нагрузки значительно ниже, а значит, запас прочности будет довольно большим.

Достоинства материала

Многие знают о коррозии сборного железобетона, которую вызывает стальная арматура. При использовании сетки из углеродного волокна вместо стальной арматуры результаты получаются превосходными.

  1. Бетонные стеновые панели можно делать намного тоньше.
  2. Вес панелей становиться намного легче (до 75%).
  3. Не требуется дополнительная теплоизоляция потому, что углеволокно не проводит тепло или холод.
  4. Обладает высокой огнестойкостью.
  5. Этот новый материал уже используется для производства стеновых сендвич панелей.
Недостатки

Углеродное волокно также имеет недостатки, которые должны быть приняты во внимание при планировании его использования.

  1. Этот материал довольно дорогой по сравнению с аналогами.
  2. Материал имеет способность отражать электрические волны, что может быть недостатком в некоторых случаях.
  3. Процесс изготовления композитов более трудоемкий, чем изготовление металла.

instroymatrem.ru


Смотрите также