Углепластики

  Введение

 

 

Углепластики (карбонопластики) — полимерный композиционный материал из переплетенных нитей  углеродного волокна, расположенных  в матрице из полимерных смол. Матрицы - термореактивные смолы (эпоксидные, фенольные, полиэфирные, полиимидные  и др.) и термопласты (полиамиды, поликарбонаты, полисульфоны, полиэфиры и др.). Наполнители - углеродные нити, жгуты, ленты, ткани, маты, короткие рубленые волокна. Материал отличается высокой прочностью, жёсткостью и малым весом (от 1450 кг/м³), высоким модулем упругости, статической и динамической выносливостью, вибропрочностью, повышенной химический и радиационной стойкостью, теплопроводностью, практически нулевым коэффициент линейного расширения, по удельным характеристикам превосходит высокопрочную сталь. Кроме того, детали из карбона превосходят по прочности детали из стекловолокна.

 

СВОЙСТВА  НЕКОТОРЫХ УГЛЕПЛАСТИКОВ НА ОСНОВЕ НЕПРЕРЫВНЫХ ВОЛОКОН И УГЛЕРОД-УГЛЕРОДНЫХ КОМПОЗИТОВ

 

Показатель	Углепластики на основе эпоксидного и полиимидного связующих  с ориентир. нитями, жгутами, лентами		Углерод-углеродные композиты с нитями, жгутами
		однонаправленные*	перекрестные 1:1*	однонаправленные**	перекрестные 1:1*
	Плотн., г/см3	1,45-1,50	1,4-1,5	1,50-1,55	1,4-1,8
	Прочность, МПа
	при растяжении	800-1700	500-900	2500-3000	200-700
	при изгибе	1000-2000	800-1200	-	400-700
	при сжатии	700-1200	500-800	1200-1600	100-300
	Модуль упругости, ГПа	120-150	65-85	150-160	120-160

 

 

 

 

 

 

1 Основные сведения

 

 

Основная составляющая часть углепластика — это нити углерода. Такие нити очень тонкие (примерно 0,005-0,010 мм в диаметре), сломать их очень просто, а вот порвать достаточно трудно. Из этих нитей сплетаются ткани. Они могут иметь разный рисунок плетения (ёлочка, рогожа и др.).

        Для придания ещё большей прочности ткани из нитей углерода кладут слоями, каждый раз меняя угол направления плетения. Слои скрепляются с помощью эпоксидных смол.

       Нити углерода обычно получают термической обработкой химических или природных органических волокон, при которой в материале волокна остаются главным образом атомы углерода.

       Термическая 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 %.

     Помимо обычных органических волокон (чаще всего вискозных и полиакрилонитрильных), для получения нитей углерода могут быть использованы специальные волокна из фенольных смол, лигнина, каменноугольных и нефтяных пеков. Кроме того, детали из карбона превосходят по прочности детали из стекловолокна, но, при этом, обходятся значительно дороже аналогичных деталей из стекловолокна.

    Дороговизна карбона вызвана, прежде всего, более сложной технологией производства и большей стоимостью производных материалов. Например, для проклейки слоев используются более дорогие и качественные смолы, чем при работе со стеклотканью, а для производства деталей требуется более дорогое оборудование (к примеру, такое как автоклав).

     Недостатком карбона является боязнь «точечных» ударов. Например, капот из карбона может превратиться в решето после частого попадания мелких камней. В отличие от металлических деталей или деталей из стеклоткани, восстановить первоначальный вид карбоновых деталей невозможно. Поэтому, после даже незначительного повреждения всю деталь придется менять целиком. Кроме того, детали из карбона подвержены выцветанию под воздействием солнечных лучей.Что делает его хрупким и непригодным к дальнейшему использованию.

     Наконец, когда приходит время для замены детали, существует целый ряд относительно простых шагов, которые могут быть предприняты для утилизации пластмассы, стали и алюминия. Углепластик же не так лёгок и дешёв в переработке и поэтому его вторичное использование под большим вопросом.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Производство

 

 

Прессование. Углеткань выстилается в форму, предварительно смазанную антиадгезивом. Пропитывается смолой. Излишки смолы удаляются в вакууме (вакуум-формование) или под давлением. Смола полимеризуется, иногда при нагревании. После полимеризации смолы изделие готово.

Контактное  формование. На примере изготовление бампера: берется металлический исходный бампер, смазывается разделительным слоем. Затем на него напыляется монтажная пена (гипс, алебастр). После отвердевания — снимается — это матрица. Затем ее смазывают разделительным слоем и выкладывают ткань. Ткань может быть предварительно пропитанной, а можно пропитывать или поливом прямо в матрице. Затем ткань прокатывается валиками — для уплотнения и удаления пузырьков воздуха. Затем полимеризация. Затем бампер снимается, если надо — шлифуется и красится.

Трубы и иные цилиндрические изделия производят намоткой. Форма волокна: нить, лента, ткань. Смола: эпоксидная или полиэфирная. Возможно изготовление форм из углепластика в домашних условиях, при наличии опыта и оборудования.

Процесс получения однонаправленных профильных изделий методом протяжки (или пултрузии). пропитка связующим пучков волокон; отжим избытка связующего; придание материалу заданного сечения путем протягивания его через фильеру непрерывным или периодическим способом; разрезка профильных изделий на элементы заданной длины. Такой процесс предельно прост, полностью автоматизирован и весьма перспективен для промышленного производства профильных изделий из армированных пластиков. Недостатки: скорость процесса зависит от температуры и скорости отверждения связующего (как правило, невелика); Трудно обеспечить строгое постоянство сечения изделий по длине (кроме простой формой сечения); необходимо использовать для получения изделий только нити или жгуты.

В настоящее время  разрабатываются методы получения  трубчатых изделий, сочетающие намотку  спирального слоя и протяжку. Пример лопасти ветряных двигателей, имеющие  сложный профиль поперечного  сечения. B настоящее время разрабатывается оборудование для формования полуфабрикатов для листовых автомобильных рессор, имеющих криволинейную поверхность и переменное поперечное сечение.

Инжекционный  метод получения изделий из углепластиков. Изделия получают, предварительно помещая в форму армирующий материал и впрыскивая затем в нее связующее. Чаще всего этим методом получают изделия из гибридных пластиков на основе сочетания стекло- и углеродных волокон, реже - из углепластиков.

Термокомпрессионный метод формования. Этот метод называют также формованием полимеров в эластичной оснастке, формованием с термическим расширением и т. д., В качестве материала матрицы используют силиконовый каучук и другие расширяющиеся при нагревании эластомеры, вследствие температурной деформации которых создается давление формования. Давлению вдоль оси балки противостоит опорная пластина; такой метод формования с использованием автоклава может быть рекомендован для получения изделий сложной формы, когда применение обычного вакуумного формования оказывается трудным или неэффективным. Пример - изготовление некоторых деталей стратегических бомбардировщиков В-1

Литье под  давлением термопластов, наполненных углеродными волокнами. Этот метод - один из самых эффективных для получения изделий сложной формы. При получении изделий из углепластиков методом литья под давлением необходимо иметь в виду что, по сравнению со стекловолокнами углеродные волокна имеют меньший диаметр, высокий модуль упругости и малое удлинение; поэтому в процессе формования они легко ломаются.

Штампование термопластов, армированных углеродными волокнами. В этом случае полуфабрикатом служат листовые термопластичные материалы, наполненные короткими или длинными волокнами. Изделия из них прессуют в металлической форме при температуре ниже точки плавления полимера. Этот метод аналогичен методу прессования листовых формовочных материалов, однако течение материала при переработке листовых наполненных термопластов существенно меньше. Он также близок к методу прессования между металлическими плитами. Его отличительная особенность - необходимость создания более высоких давлений с использованием разъемной формы, состоящей из позитивной и негативной металлических матриц.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

       

 

 

           3 Применение

 

 

Углепластик (карбон) имеет невероятно широкую сферу применения. Углеродные материалы и изделия из них можно встретить в самых разнообразных отраслях промышленности.

В строительстве, например, углеродные ткани применяются в Системе внешнего армирования.  Использование углеродной ткани и эпоксидного связующего при ремонте несущих конструкций (мостов, промышленных, складских, жилых зданий) позволяет проводить реконструкцию в сжатые сроки и со значительно меньшими трудозатратами по сравнению с традиционными способами. При этом, хотя срок ремонта снижается в разы, срок службы конструкции увеличивается также в несколько раз. Несущая способность конструкции не просто восстанавливается, но и увеличивается в несколько раз.

В авиации углеродные материалы используются для создания цельных композитных деталей. Сочетание легкости и прочности получаемых изделий позволяет заменить алюминиевые сплавы углепластиковыми. Композитные детали, при их весе в 5 раз меньшем, чем аналогичных алюминиевых, обладают большей прочностью, гибкостью, устойчивостью к давлению и некоррозийностью.

В атомной промышленности углепластики используются при создании энергетических реакторов, где основным требованием к используемым материалам является их стойкость к высоким температурам, высокому давлению и радиационная стойкость. Кроме этого, в атомной отрасли особое внимание отдается общей прочности внешних конструкций, поэтому Система внешнего армирования также имеет обширное применение.

В автомобилестроении карбон (или углепластик) используется для производства как отдельных деталей и узлов, так и для автомобильных корпусов целиком. Высокое отношение прочности к весу позволяет создавать безопасные, и в то же время экономичные автомобили: снижение веса автомобиля за счет углепластиков на 30 % позволяет снизить выброс CO2 в атмосферу на 16% (!), благодаря снижению расхода топлива в несколько раз.

В ракетостроении композиционные материалы занимают очень прочные позиции. Высокие нагрузки космических полетов ставят соответствующие требования и материалам, которые используются при производстве деталей и узлов. Углеродные волокна и материалы из них, а также из карбидов работают в условиях высоких температур и давления, при высоких вибрационных нагрузках, низких температурах космического пространства, в вакууме, в условиях радиационного воздействия, а также воздействия микрочастиц и т.п.

В судостроении высокая удельная прочность, коррозионная стойкость, низкая теплопроводность, немагнитность и высокая ударостойкость делают углепластики лучшим материалом для проектирования и создания новых материалов и конструкций из них. Возможность сочетать в одном материале высокую прочность и химическую инертность, а также вибро-, звуко- и радиопоглощение обуславливает выбор именно этого материала для изготовления конструкций наружных корпусов подводных лодок.

Одной из наиболее значимых областей применения углеродных материалов в мировой практике является  ветроэнергетика. В нашей стране эта отрасль находится, по сути, в стадии зарождения, в то время как во всем мире ветряки появляются и в незаселенных районах, и в прибрежных зонах, и на морских платформах. Легкость и непревзойденные показатели прочности на изгиб углепластиков позволяют создавать более длинные лопасти, которые, в свою очередь, обладают большей энергопроизводительностью.

В железнодорожной отрасли углепластики имеют широкое применение. Легкость и прочность материала позволяет облегчить конструкцию железнодорожных вагонов, снизив тем самым общий вес составов, что позволяет в дальнейшем как увеличивать их длину, так и улучшать скоростные характеристики. В то же время углепластики могут использоваться и при строительстве железнодорожного полотна и прокладке железнодорожных проводов: высокие показатели прочности на изгиб позволяют увеличивать длину проводов, сокращая необходимое количество опор и в то же время снижая риск их провисания.

Спортивный  инвентарь (роликовые коньки, велосипеды, футбольные бутсы, хоккейные клюшки, лыжный спорт (лыжи, палки, ботинки), ракетки для тенниса, основания для настольного тенниса, лезвия коньков, стрелы, оборудование виндсерфинга, моноласты)