Углеволокно (карбон) - характеристики, производство, применение

Содержание:

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.

Сырье

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.

Производственный процесс

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.

Производственные проблемы

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.

Будущее углеродного волокна

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.

Углеволокно | Как это сделано - видео

КАК СДЕЛАТЬ КАРБОН СВОИМИ РУКАМИ | ПЛАСТИНА ИЗ УГЛЕПЛАСТИКА - видео