Библиографическое описание:

Белова Н. А. Композитные материалы на основе углеродных волокон // Молодой ученый. — 2015. — №24.1. — С. 5-7.

Композитные материалы на основе углеродных волокон

Белова Наталья Алексеевна, студент

Балаковский политехнический техникум

 

Углеродное волокно — материал, состоящий из тонких нитей диаметром от 5 до 15 мкм, образованных преимущественно атомами углерода. Атомы углерода объединены в микроскопические кристаллы, выровненные параллельно друг другу. Выравнивание кристаллов придает волокну большую прочность на растяжение. Фактически, современные углеродные волокна появились с 50 годов ХХ века в институте промышленных исследований Асаки, Япония.

Углеродные волокна 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. 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 %.

Углеродные волокна могут выпускаться в разнообразном виде: штапелированные (резаные, короткие) нити, непрерывные нити, тканые и нетканые материалы. Наиболее распространенный вид продукции — жгуты, пряжаровинг, нетканые холсты.

В таблице 1 приведены свойства углеродных волокон.

Таблица 1

Свойства углеродных волокон

Волокнистый материал

Удельная плотность, г/см3

Прочность, ГПа

Модуль Юнга, ТПа

Предел прочности, ГПа

Удлинение при разрыве, %

Удельная теплопроводность, Вт/м·К

Электропроводность, См/м

Углеродные волокна

1,7-2

0,5-1

0,2-0,6

1,7-5

0,3-2,4

8-105

6,5-14×106

 

Углеродные волокна имеют исключительно высокую термостойкость
— в инертных средах или в вакууме до 3000°С (температура плавления стали 1500°С)
— на воздухе до 450°С

Удельное электрическое сопротивление волокон можно задать:
— от 0,02 Ом·м·10-6 (сопротивление меди)
— до 1,0 Ом·м·109 (сопротивление полупроводника)

Это предопределяет возможность применения углеродных волокон в качестве тепловых экранов и теплоизоляционного материала в высокотемпературной технике.

Благодаря ценным свойствам углеродные волокна и ткани на их основе применяются для армирования композиционных материалов, они применяются с эпоксидными, винилэфирными, полиамидными и фенолформальдегидными смолами, такие композиты называются углепластик.

Это инновационный материал, высокая стоимость которого обусловлена трудоемким технологическим процессом и большой долей ручного труда при этом. По мере совершенствования и автоматизации процессов его стоимость 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.

По сравнению с обычными конструкционными материалами, например, алюминием или сталью, композиты с углеродными волокнами обладают некоторыми уникальными свойствами. В таблице 2 приведена сравнительная характеристика композиционных материалов.

Таблица 2

Свойства некоторых композиционных материалов

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Как видно из таблицы 2, по показателям удельной прочности и жесткости углепластики превосходят практически все наиболее широко используемые конструкционные материалы и металлические материалы. Интересно отметить, что такой сравнительно непрочной конструкционный полимерный материал, как полиамид, при введении в него углеродных волокон по показателям удельной прочности и жесткости приближается к металлическим конструкционным материалам.

Наряду с высокими механическими свойствами и хемостойкостью углепластик обладает хорошими антифрикционными характеристиками, сравнительно низким коэффициентом трения и повышенной износостойкостью. Коэффициент трения углепластиков колеблется от 0,1 до 0,17 в зависимости от условий испытания, а по износостойкости они в 5-10 раз превосходят антифрикционные марки бронзы, используемые для изготовления подшипников скольжения.

Преимущества применения углепластиков в том, что они позволяют уменьшить вес конструкции на 15-45%, высокая стойкость к коррозии и различным деформациям, возможность создания изделий высокой сложности.

Применение углеродных волокон для упрочнения композитов было начато в 1963 году в Англии. Первыми начали применять композиты на основе углепластика военные специалисты, в военно-промышленном комплексе и углепластик первое время считался секретным. Сейчас, углепластик используется в серийном авиастроении, благодаря малому весу (это один из самых важных параметров в авиастроении) и превосходных прочностных свойств, углепластик крепко занял свое положение в этой отрасли, не представить без него и развитие космонавтики, где он считается не заменимым.

Сочетания таких уникальных параметров не обошли стороной и другие высокотехнологичные и наукоемкие отрасли такие как: медицина (протезы, сухожилия и пр.) благодаря совместимости с тканями и механическим свойствам, в судостроение, производство корпусов яхт и катеров, нельзя представить современные спортивные яхты без углепластиковых мачт, частей корпуса и многих других деталей.

Угольные материалы успешно применяют в строительстве: упрочнение бетонных конструкций, ремонт мостов и пр. Свою популярность и легендарность углепластик получил благодаря автомобилестроению, его начали применять при изготовлении монококов, для знаменитых болидов F1. После укоренения в автоспорте, углепластик получил новое сокращенное имя «carbon». Он стал одним из самых важных элементов в тюннинге автомобилей, еще потому что обладает оригинальным внешним видом. Углепластик широко применяется в производстве спортинвентаря: теннисные ракетки, удочки, рамы для велосипедов и т.д. Так же он применяется в изделиях узкого специального назначения для лопастей ветряных электрогенераторов, различных подшипников в гидротурбинах. Широкую популярность набирает применение углепластика для отделки его можно увидеть в таких деталях как: кейсы и акустические боксы, и для декорирования мебели.

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 не полимеризованном 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 труб. Кистью или валиком наносят послойно смолу и сушат преимущественно в печи.

На основании проведенного литературного обзора, анализа научно-технической литературы можно сделать вывод о перспективности направления армирования композиционных материалов углеродными волокнами. Проанализировав ценные свойства углепластиков, высокая прочность, жёсткость и малая масса, часто прочнее стали, но гораздо легче, мы делаем вывод о необходимости совершенствования процесса производства, т.к. при производстве углепластиков необходимо очень строго выдерживать технологические параметры, при нарушении которых прочностные свойства изделий резко снижаются. Благодаря данным критериям мы можем использовать этот материал в любой отрасли производства. Например, в изготовлении лёгких, но прочных деталей, заменяя собой металлы, во многих изделиях от частей космических кораблей до удочек, среди которых также: ракетно-космическая техника; авиатехника; судостроение; наука и исследования; медицинская техника; протезостроение.

 

Литература:

  1. http://www.nanocyl.com/ru/content/view/full/155
  2. http://plastinfo.ru/information/articles/301
  3. http://carbonstudio.ru/product/uglerodnoe-volokno
  4. http://www.mvmplant.com/materials/uglevolokno.html
  5. http://engitime.ru/statyi1/raznoe/chto-takoe-ugleplastik-ili-karbon.html
  6. Журнал «Авиационная промышленность», №3-4,1997 г.
Основные термины (генерируются автоматически): углеродных волокон, композиционных материалов, основе углеродных волокон, показателям удельной прочности, армирования композиционных материалов, углеродные волокна, Углеродные волокна, углеродными волокнами, Похожая статья, свойства углеродных волокон, свойствам углеродные волокна, Применение углеродных волокон, современные углеродные волокна, карбонизации — нагрева волокна, композиционных материалов углеродными, Углеродное волокно — материал, природных органических волокон, сравнительная характеристика композиционных, свойств полимерных композиционных, пропитанная смолой ткань.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle
Задать вопрос