Применение углеродных волокон в технике

 
Томский государственный университет 
 

 

 

 

Применение  углеродных волокон в технике.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Томск - 2011

Аннотация

Composite materials made ​​from carbon fiber commonly used today in the space industry, aircraft industry, automotive, manufacturing products for mass consumption. Their production - a complex, multistep process involving the active use of nanotechnology.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

 

Введение

1. Углеродное волокно

2. Получение

3. Применение углепластиков в аэрокосмической промышленности

4. Искусственные спутники

5. Применение углепластиков в военной промышленности

6. Использование углепластиков для изготовления спортивных изделий

7. Применение углепластиков в медицине

8. Применение углепластиков в автомобилестроении

9. Применение углепластиков в электронике и электротехнике

Заключение

Список литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Мы знаем, что применение металлов чрезвычайно  многообразно из стали можно сделать  и штопор, и корпус военного корабля; из алюминия изготавливают и оберточную фольгу, и самолеты и т. д. Этого нельзя сказать об углепластиках, хотя область их применения простирается от изготовления бытовых предметов и до использования в космических аппаратах. Углепластики обладают комплексом весьма ценных свойств, и поэтому их применение постоянно расширяется. В данной главе сделана попытка обобщить различные направления использования этих перспективных материалов. Однако так как углепластики являются сравнительно новыми материалами, во многих областях их применение еще находится на стадии становления и развития. Поэтому мы ограничимся оценкой ситуации в первой половине 1980-х годов.

Углеродное волокно

Материал, состоящий из тонких нитей диаметром  от 5 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 характеризуются высокой силой натяжения, низким удельным весом, низким коэффициентом температурного расширения и химической инертностью.

Впервые получение  и применение углеродных волокон (УВ) (точнее, нитей) было предложено и запатентовано  известным американским изобретателем  — Томасом Эдисоном — в 1880 г. в  качестве нитей накаливания в  электрических лампах. Эти волокна получались в результате пиролиза хлопкового или вискозного волокна и отличались хрупкостью и высокой пористостью и впоследствии были заменены вольфрамовыми нитями. В течение последующих 20 лет он же предложил получать углеродные и графитированные волокна на основе различных природных волокон.

Вторично  интерес к углеродным волокнам появился в середине XX в., когда велись поиски материалов, пригодных для использования  в качестве компонентов композитов для изготовления ракетных двигателей. УВ по своим качествам оказались одними из наиболее подходящих для такой роли армирующими материалами, поскольку они обладают высокой термостойкостью, хорошими теплоизоляционными свойствами, коррозионной стойкостью к воздействию газовых и жидких сред, высокими удельными прочностью и жесткостью.

В 1958 г. в  США были получены УВ на основе вискозных  волокон. При изготовлении углеродных волокон нового поколения применялась  ступенчатая высокотемпературная  обработка ГТЦ-волокон (900 °C, 2500 °C), что  позволило достичь значений предела прочности при растяжении 330—1030 МПа и модуля упругости 40 ГПа. Несколько позднее (в 1960 г.) была предложена технология производства коротких монокристаллических волокон («усов») графита с прочностью 20 ГПа и модулем упругости 690 ГПа. «Усы» выращивались в электрической дуге при температуре 3600 °C и давлении 0,27 МПа (2,7 атм). Совершенствованию этой технологии уделялось много времени и внимания на протяжении ряда лет, однако в настоящее время она применяется редко ввиду своей высокой стоимости по сравнению с другими методами получения углеродных волокон.

Почти в  то же время в России и несколько  позже, в 1961 г., в Японии были получены УВ на основе полиакрилонитрильных (ПАН) волокон. Характеристики первых углеродных волокон на основе ПАН были невысоки, но постепенно технология совершенствовалась и уже через 10 лет (к 1970 г.) были получены углеродные волокна на основе ПАН-волокон с пределом прочности 2070 МПа и модулем упругости 480 ГПа. Тогда же была показана возможность получения углеродных волокон по этой технологии с еще более высокими механическими характеристиками: модулем упругости до 800 ГПа и пределом прочности более 3 ГПа. УВ на основе нефтяных пеков были получены в 1970 г. также в Японии.

Получение

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. 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.

Углеродные волокна могут выпускаться в разнообразном виде: штапелированные (резаные, короткие) нити, непрерывные нити, тканые и нетканые материалы. Наиболее распространенный вид продукции — жгуты, пряжа, ровинги, 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. Основные методы получения композитов, армированных углеродными волокнами, являются обычными для волокнистых материалов: выкладка, литье под давлением, пултрузия и другие.

В настоящее время в России углеволокнистые  материалы производятся ОАО "НПК  «Химпроминжиниринг» (входит в структуру Росатома), ФГУП НИИграфит, НПЦ «УВИКОМ».

Применение углепластиков в  аэрокосмической промышленности

Композиционные  материалы на основе углеродных волокон  наряду с применением их в авиационной  технике эффективно используются в  конструкциях космических летательных аппаратов. Это обусловлено тем, что они обладают сравнительно низкой плотностью. Их высокая стоимость в этом случае не является сдерживающим фактором, так как масштабы применения углепластиков в рассматриваемой области техники не столь велики. Считается, что количество углеродных волокон, используемое в этой области, составляет приблизительно 10% объема их производства. Однако точно оценить эту величину нельзя, так как данная область применения композиционных материалов на основе углеродных волокон почти всегда связана с самыми совершенными технологиями, имеющими оборонное значение и засекреченными.

 

 

Искусственные спутники

Прежде  всего следует напомнить о  первом запуске в 1974 г. военно-воздушными силами США геостационарного метеорологического спутника массой 680 кг, в котором было использовано покрытие из углепластика массой 0,5 кг. В 1979 г. был запущен более совершенный геостационарный спутник связи Intelsat V массой 1400 кг. Уже более 58% деталей (> 45% массы спутника) были изготовлены из высококачественных композиционных материалов, главным образом углепластиков. Одни из основных деталей - отражающая антенна диаметром 2,9 м и каркас солнечной батареи длиной 17 м. Крупногабаритный каркас солнечной батареи был складным и раскрывался уже на околоземной орбите. В Японии углепластики были использованы, например, при изготовлении параболической антенны геостационарного спутника связи CS-2a, запущенного в феврале 1983 г. Приведенные примеры свидетельствуют о том, что углепластики - важнейший тип конструкционных материалов для изготовления элементов конструкций искусственных спутников Земли.

В настоящее  время проектируются искусственные  спутники с корпусом из углепластиков. Например, Национальным управлением  США по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) планируется запуск космического спутника-телескопа. Этот телескоп предполагается изготовить с широким использованием углепластиков. По сравнению с лучшими наземными телескопами четкость изображения космического телескопа будет в 102 раз выше, а разрешающая способность - в 10 раз. В Японии в настоящее время на основе углепластиков разрабатываются каркасы корпусов искусственных спутников Земли, скелетные конструкции солнечных батарей и т. д.

Использование углепластиков в искусственных спутниках обусловлено не только их низкой плотностью, но и еще одной важной причиной. Дело в том, что любая конструкция в космосе, естественно, находится в вакууме. Поэтому сторона конструкции, обращенная к Солнцу, нагревается до температуры > 100 °С, а противоположная сторона охлаждается до температуры ниже -200 °С. В таких условиях нужно учитывать тепловую деформацию материалов. В направлении армирующих волокон углепластики имеют отрицательное значение коэффициента теплового расширения [ (-1... -2) • 10~7/К] , и при рациональном проектировании конструкции можно добиться того, чтобы коэффициент теплового расширения ее материала был близок к нулю. Высокая разрешающая способность рассмотренного выше космического спутника-телескопа обусловлена главным образом именно этим. Коэффициент теплового расширения материала, из которого изготовлены элементы его конструкции, лежит в интервале ±0,18 • 10~б/К.

Применение углепластиков в  военной промышленности

В этой отрасли  разработка и применение композиционных материалов на основе углеродных волокон в основном направлена на создание военных самолетов. Сведений о применении углепластиков в производстве другой военной техники очень мало вследствие засекречивания проводимых работ.

Использование углепластиков для  изготовления спортивных изделий

Применение  композиционных материалов на основе углеродных волокон для изготовления спортивных изделий обусловлено  снижением их массы благодаря  превосходным механическим свойствам  углепластиков. Объем высококачественных спортивных изделий из углепластиков, выпускаемых в Японии, превышает объем производства изделий из углепластиков, применяемых в аэрокосмической технике и в других отраслях промышленности. Для производства спортивных изделий используется около 70% всех углепластиков. Отметим, что вес удочек для ловли форели из углепластиков на основе высокопрочных углеродных волокон составляет 400-500 г, а из углепластиков на основе углеродных волокон высокомодульного типа -около 300 г. Удочки из стеклопластиков весят 700-800 г. Благодаря такому снижению веса удочки из углепластиков привлекли внимание многочисленных любителей рыбной ловли. Хорошие демпфирующие характеристики углепластиков в сочетании с их высокой жесткостью позволяют рыболову чувствовать момент взятия форелью наживки.

При проектировании и изготовлении типичных спортивных изделий обычно выбирают следующие направления  ориентации углеродных волокон: 1) в  удилищах волокна ориентируют в  основном вдоль оси изделия и  частично в поперечном направлении  путем радиальной намотки (углеродных или стеклянных волокон); 2) в клюшках для игры в гольф применяют сочетание ориентации волокон вдоль оси трубки с их ориентацией под углом ± 22,5° к оси; 3) в каркасах теннисных ракеток используют продольно-поперечную ориентацию волокон в сочетании с ориентацией волокон под углом ± 45°.

В спортивном судостроении углепластики все шире используют для изготовления мачт, рангоутов, румпелей и других деталей яхт. Например, мачта яхты марки "Ямаха Y-20 S", изготовленная  из алюминия, имеет вес 16 кг, а из углепластика - 9,4 кг, т. е. приблизительно на 41% легче. Уменьшение массы шверта приблизительно на 60 кг позволяет снизить массу яхты примерно на 80 кг.

Рассмотрим теперь пример использования  углепластиков в производстве гоночных автомобилей. Благодаря введению углепластиков в конструкцию стеклопластикового корпуса гоночного автомобиля типа F-II масса корпуса снижается с 30,8 до 21,5 кг, т. е. приблизительно на 30%. Одновременно понижается центр тяжести автомобиля и возрастает его устойчивость на поворотах.

Применение углепластиков  в медицине

В медицине углепластики используют ввиду их малой плотности и  способности пропускать рентгеновские  лучи. Например, ведутся поиски путей  снижения веса протезов рук и ног, кресел-каталок, тростей, приспособлений для растяжения костей после переломов и т. д. Однако в этой области углепластики еще не применяются в массовом масштабе и изделия из них находятся на стадии разработки. В настоящее время исследуется возможность создания искусственных костей из углерод-углеродных армированных композиционных материалов.

Углепластики незначительно поглощают  рентгеновские лучи, обладают высокой  жесткостью и поэтому применяются  в рентгеновской аппаратуре. Углерод  почти в девять раз меньше поглощает  рентгеновские лучи, чем алюминий. Коэффициенты пропускания и рассеяния рентгеновских лучей различными листовыми материалами, ориентированными перпендикулярно направлению рентгеновского излучения. Углепластик по сравнению с алюминием приблизительно в 5 раз меньше поглощает рентгеновские лучи и в 2,5 раза меньше их рассеивает, т. е. является весьма хорошим материалом для рентгеновской аппаратуры.

 

 

 

Применение углепластиков  в автомобилестроении

Композиционные материалы на основе углеродных волокон применяются  в автомобилестроении несколько  в меньшем масштабе, чем в аэрокосмической промышленности. Это связано с высокой стоимостью этих материалов, а также с отставанием в разработке методов массового производства композиционных материалов. Например, стоимость 1 кг конструкции современных автомобилей из традиционных материалов составляет приблизительно 1000 иен. В то же время стоимость углепластиков - от десяти тысяч до нескольких десятков тысяч иен за 1 кг, т. е. в 10 или в несколько десятков раз выше. При использовании углепластиков в аэрокосмической промышленности высокая цена материала не столь существенна из-за высокой стоимости всего изделия, поэтому можно использовать довольно трудоемкий метод автоклавного формования, а в автомобилестроении возможность применения углепластиков лимитируется стоимостью материала и сложностью существующих методов формования.