Однако этот недостаток нивелируется данным конкретным применением. В других проектах электропроводность углеродных волокон превращается из недостатка в преимущество.
Углеродное волокно, его свойства и применение
Углеродные волокна и композиты из углеродных волокон обладают высокой прочностью, химической инертностью, низким удельным весом и низкой теплопроводностью.
Углеродное волокно:
Углеродные волокна — это материал, состоящий из тонких волокон диаметром от 3 до 15 микрометров, состоящих в основном из атомов углерода. Атомы углерода сгруппированы в крошечные кристаллы, расположенные параллельно друг другу. Ориентация кристаллов придает волокну большую прочность на разрыв и другие свойства.
Углеродные волокна служат основой для производства армированных углеродными волокнами пластмасс (или углепластиков, карбопластиков, от англ. carbon — углерод, карбон).
Углепластики — это полимерные композиты, состоящие из переплетенных углеродных волокон, внедренных в матрицу из полимерных смол (чаще всего эпоксидных).
Изделия на основе углеродного волокна:
Материалы на основе углеродного волокна производятся на основе:
— Композитная арматура (углерод). Арматура из углеродного волокна — это материал, состоящий из основы из углеродного волокна и связующего вещества — термореактивной смолы. Армирование углеродными волокнами производится методом пултрузии, т.е. путем протягивания армирующих волокон, пропитанных связующим веществом, через нагретую формовочную матрицу,
— Двунаправленные ткани: комбинированные ткани (углеродные и арамидные), стеклоткани с крученым или льняным переплетением, углеродные ткани с крученым или льняным переплетением, углеродные сатиновые ткани.
— Дизайнерские ткани,
— полиаксиальные ткани: двухосные ткани, тетрааксиальные ткани.
— Нетканые углеродные ткани. Нити углеродного волокна в полотняных нетканых материалах расположены строго параллельно друг другу. Нити закрепляются стекловолокнами и/или эпоксидным связующим,
— Однонаправленные карбоновые ремни. Однонаправленные углеродные ленты — это ткани, в которых более 75% волокон расположены в одном направлении. В качестве ткани используются либо стекловолокно, либо арамидные волокна,
— Препреги. Препреги — это полуфабрикаты композитных материалов. Они изготавливаются путем пропитки основы из армирующих волокон равномерно распределенным полимерным связующим. Пропитка осуществляется таким образом, чтобы оптимизировать физико-механические свойства армирующего материала. Методы пропитки волокнами могут улучшить свойства материала на 30%,
— рукав для предварительной формовки,
— Волокна Волокно представляет собой измельченное углеродное волокно. Он используется в качестве армирующей добавки в бетоне и битумном бетоне,
— Другие материалы: стропы, углерод-углеродные композиты, волокна и т.д.
Углеволокно. Свойства и применение. Виды заготовок и особенности
Углеродное волокно (CF) — это особый прочный материал, состоящий из тонких волокон толщиной от 5 до 10 микрометров, сформированных из атомов углерода. Обычно их перерабатывают в специальную пряжу. Этот материал характеризуется химической инертностью, низким удельным весом и высокой прочностью на разрыв.
Технология изготовления
Для получения углеродных волокон исходный материал окисляется на воздухе при высокой температуре 250 °C в течение длительного периода времени. Этот процесс может занять до 1 дня. Температура стимулирует волокна к формированию своеобразных лестничных атомных структур.
На следующем этапе волокна постепенно нагревают до 800°C, а затем увеличивают до 1500°C. Это делается в среде азота или аргона. Этот процесс называется карбонизацией. Он заканчивается образованием графитовой структуры.
Последний этап производства называется графитизацией. Это очень сложный процесс, в ходе которого волокна нагреваются до 3000 °C. Затем волокна обрабатываются специальным веществом. В результате в волокне остается не более 1% примесей, а основную структуру занимают атомы углерода.
Волокна во много раз тоньше человеческого волоса. Они собираются в пучки, из которых затем ткутся ткани. Этот материал в основном используется для производства различных изделий в процессе слоистого композита с использованием полимерных смол в качестве связующих.
Виды полуфабрикатного сырья из углеволокна
Волокна перерабатываются в различные материалы, которые могут быть использованы в качестве полуфабрикатов. Производители предлагают свое сырье в таком виде:
- Резаные нити.
- Непрерывные нити.
- Тканые и нетканые материалы.
- Ленты.
- Жгуты.
- Пряжа.
Все эти продукты используются в композитах, где углеродные волокна служат в качестве армирующего слоя. Однако в качестве связующего вещества также может использоваться смола, бетон и т.д. Есть также варианты использования углеродных волокон в чистом виде, но в этом случае они ценны не своей прочностью, а, например, своими адсорбционными свойствами.
Свойства углеродных волокон
Этот материал обладает превосходными свойствами, которые делают его незаменимым во многих областях. Наиболее важными техническими параметрами углеродных волокон являются
- Температурную стойкость.
- Химическую нейтральность.
- Высокую удельную прочность.
- Повышенные теплофизические характеристики.
Материал может выдерживать температуры до 1600-2000 °C без изменения своих свойств при условии, что он находится в бескислородной среде. Это свойство углеродных волокон позволяет использовать их в качестве теплозащитных экранов в различных устройствах, работающих при экстремальных температурах.
Углеродное волокно переносит почти все химические вещества. Тем не менее, он не идеален, поскольку окисляется в кислородсодержащей среде при сильном нагревании. Следовательно, углеродное волокно можно использовать в воздухе, только если оно нагрето до температуры не более 370 °C. Однако это не так уж и плохо. Следует отметить, что материал обычно находится в композите, где он не контактирует с воздухом. Если композитное связующее способно поддерживать более высокую температуру, чем 370 °C, то предел для углеродных волокон ограничивается только стойкостью внешней оболочки. До тех пор, пока внешняя оболочка не разрушена, волокно продолжает работать без потери производительности.
Удельная прочность углеродного волокна при ударе достигает 2,5-3,5 ГПа. Это один из самых прочных материалов. В то же время он гибкий и очень легкий. Изделия из углеродного волокна во много раз прочнее пластика и дерева. Поэтому из них делают легкие и тяжелые рамы для велосипедов, мотоциклов и даже детали наружной обшивки для гоночных автомобилей, космических кораблей и самолетов.
Когда электричество проходит через углеродные волокна, они сильно нагреваются. Это было главным аргументом в пользу материала с самого начала. Его изобретатель, Т. Эдисон, разработал технологию изготовления углеродных волокон благодаря тому, что углерод нагревается при воздействии на него электрического тока. Он использовал углерод в качестве нити накаливания для своих электрических ламп. Позже от этого отказались, так как использование вольфрама оказалось более практичным. Сегодня электропроводность углеродных волокон используется в электронике.
Где используется
Углеродные волокна используются в различных сферах и отраслях, поскольку ценятся за легкость и прочность.
Углеродные волокна используются в этих отраслях производства:
- Спортивного инвентаря.
- Авиационной промышленности.
- Космонавтике.
- Ветроэнергетике.
- Машиностроении.
- Строительстве.
- Системах фильтрации.
Характеристики углеродного волокна
Углеродные волокна используются в широком спектре областей применения. Углеродные волокна обычно классифицируются в соответствии с их модулем упругости:
- 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. Каждая нить состоит из тысяч элементарных нитей (филаментов). Диаметр углеродной нити составляет 5-7 мкм, что в 2-3 раза тоньше человеческого волоса. Все типы волокон маркируются следующим образом: 3K, 6K, 12K, 24K — это количество нитей в пучке (в тысячах).
Линейная плотность. Кроме стандартной плотности, принято различать линейную плотность волокон. Если линейная плотность равна 800 текс, это означает, что один километр этого пучка имеет массу 800 г.
Прочностные характеристики
Окончательное значение прочности, которое указывается в сертификатах качества и т.д., получается из пропитанной и отвержденной плети (микропластика). Микропластик представляет собой бинт, пропитанный полимерным связующим и отвержденный методом полимеризации при растяжении.
UW довольно хрупкий, поэтому не имеет смысла лишать его прочностных свойств в непропитанном виде. Для конечного пользователя также важнее знать свойства углеродных волокон в отвержденной полимерной матрице, т.е. в композитном материале. Именно по этой причине его чаще всего и 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%.
Само собой разумеется, что HC не является гарантией качества или чрезвычайно долговечных свойств продукта. Сами углеродные волокна довольно хрупкие и ломкие. В случае неподходящих условий полимеризации, неправильного выбора матрицы или несовместимости с пряжей, заявленные производителем свойства могут быть не достигнуты. Кроме того, ультрафиолет хуже, чем базальт и стекло, показывает себя в некоторых механических испытаниях. Даже более дорогие стекло и базальт в 10 раз дешевле, чем более дешевое углеродное волокно. Поскольку углеродное волокно широко используется в оборонной промышленности, для его покупки за рубежом непосредственно у производителя требуется лицензия.
Мы будем признательны за любые комментарии. Спасибо!
