Но в настоящее время к карбонам относят все композитные материалы, в которых несущей основой являются углеродные волокна, а вот связующее сможет быть разным. То есть карбон и углепластик объединились в один термин, привнеся путаницу в головы потребителей.

Важным фактором, определяющим в некоторой степени перспективность углепластиков, является их хорошая технологичность, позволяющая перерабатывать углепластики в изделия на стандартном технологическом оборудовании с минимальными трудовыми и энергетическими затратами.

Углепластики — композиты, содержащие в качестве наполнителя углеродные волокна. Этот сравнительно новый класс ПКМ получил в последние годы наиболее интенсивное развитие благодаря своим уникальным свойствам, а именно:

· высоким значениям прочности и жесткости

· тепло- и электропроводности

· высокой усталостной прочности

· низким значениям коэффициента линейного термического расширения

· высокой радиационной стойкости [1].

Углеродные нити прекрасно работают на растяжение, но имеют низкую прочность на изгиб, то есть они анизотропны, прочны только в одном направлении, поэтому их использование оправдано только в виде полотна [4].

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:

1. 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.

3. 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 [2].

2. Виды волокон карбона. Полотно

Волокна могут быть короткими, резаными, их называют «штапелированными», а могут быть непрерывные нити на бобинах. Это могут быть жгуты, пряжа, ровинг, которые затем используются для изготовления тканого и нетканого полотна и лент. Иногда волокна укладываются в полимерную матрицу без переплетения (UD).

Так как волокна отлично работают на растяжение, но плохо на изгиб и сжатие, то идеальным вариантом использования углеволокна является применение его в виде полотна Carbon Fabric. Оно получается различными видами плетения: елочкой, рогожкой и пр., имеющими международные названия Plain, Twill, Satin. Иногда волокна просто перехвачены поперек крупными стежками до заливки смолой. Правильный выбор полотна по техническим характеристикам волокна и виду плетения очень важен для получения качественного карбона.

В качестве несущей основы чаще всего используются эпоксидные смолы, в которых полотно укладывается послойно, со сменой направления плетения, для равномерного распределения механических свойств ориентированных волокон. Чаще всего в 1 мм толщины листа содержится 3-4 слоя [4].

В качестве матриц (связующих) при изготовлении судовых конструкций используются преимущественно эпоксидные н полиэфирные синтетические смолы [6].

Эпоксидные смолы используются двух типов: термопласты и реактопласты. Термопласты все еще находятся в стадии разработки из-за их высокой стоимости. Чаще всего используют смолы реактопласты, которыми пропитывают углеродистые волокна, а после подвергают нагреванию. Процесс, когда волокно и смолу соединяют в матрице, называют полимеризацией [5].

Сравнительно новым классом термостойких высокомолекулярных соединений являются полиамидные смолы. Их главное отличие от полиэфирных и эпоксидных смол заключается в более высоких механических характеристиках и большей стойкости к окислению при высоких температурах (после отверждения). Однако применение полиамидных смол требует разработки специальной технологии нзготовлення ПКМ. Основные характеристики перечисленных смол приведены в табл. 1 [6].

3. Технология изготовления углепластика

Углероное волокно является основой для производства углепластиков (или карбона, карбонопластиков) [3].

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).

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 неполимеризованном 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.

Во всех случаях поверхность нанесения углепластика смазывается разделительными смазками для простого снятия получившегося изделия после застывания [4].

4. Физико-механические свойства углепластиков

Уровень свойств углепластиков зависит от характеристик применяемых углеродных волокон, вида и текстурной формы армирующего наполнителя, упругопрочностных свойств полимерной матрицы, качества раздела «волокно-матрица», от технологии переработки и структуры армирования материала. Накоплен значительный объем информации о физико-механических свойствах эпоксидных углепластиков, их поведении при различных видах нагружения (статика, повторная статика, динамика) и деформировании (растяжение, сжатие, сдвиг, срез, смятие), а также о ресурсе и сроке их эксплуатации в различных изделиях. В таблице представлены данные о свойствах однонаправленных углепластиков.

Углепластики обладают наибольшей среди известных КМ усталостной прочностью. Коэффициент усталостного сопротивления в зависимости от вида и степени асимметрии цикла равен (0.5…0,7) GВ, т. е. в 2-3 раза выше, чем у стеклопластиков, что связано также с высокими значениями модуля упругости углеродных волокон и как следствие более низким уровнем напряжений и меньшей повреждаемостью полимерной матрицы.

Выносливость углепластика может быть оценена через свойства и состав его компонентов следующим образом:

Из уравнения следует, что усталостная прочность композита прямо пропорциональна прочности матрицы GМ и модуля упругости армирующих волокон ЕВ и обратно пропорциональна модулю упругости матрицы ЕМ. Коэффициент К характеризует степень использования прочности матрицы при циклическом нагружении и учитывает наряду с природой матрицы влияние технологии изготовления композита и уровень внутренних остаточных напряжений.

По сравнению с другими ПКМ углепластики обладают меньшей удельной ударной вязкостью, трещиностойкостью и остаточ- ностью к концентрации напряжений. Значительное влияние на чувствительность углепластиков к концентрации напряжений оказывает структура армирования и направление приложения нагрузки по отношению к ориентации волокон. углепластик эпоксидный смола

Так, при растяжении под углом ±45° к направлению армирования прочность углепластика очень мало зависит от размера концентратора. Мелкие дефекты, например, отверстия диаметром, не превышающим 4 мм, тоже почти не влияют на прочность углепластика квазиизотропной структуры как при кратковременном, так и при длительном статическом и усталостном нагружении.

Повышение остаточной прочности и вязкости разрушения углепластиков возможно путем создания гибридного (поливолокнистого) материала в виде чередования сплошных слоев углеродных и стеклянных, углеродных и органических наполнителей либо в виде периодически расположенных высокомодульных (борных) или низкомодульных (стеклянных с армированием ±45°) стопоров трещин. Применение высокомодульных стопоров приводит к перераспределению большей части нагрузки на стопоры в вершине трещины, а эффективность низкомодульных стопоров заключается в создании зоны низких напряжений с повышенной вязкостью разрушения, которая препятствует распространению трещины.

Демпфирующая способность углепластика определяется в основном рассеиванием энергии в матрице, сопровождающимся переходом существенно зависит от уровня нагружения, структуры армирования материала и рабочей температуры. Если однонаправленные углепластики имеют уровень демпфирующей способности вдоль волокон механической энергии в тепловую, химическую и электрическую, и 0,5… 1,0 %, то в диагонально-армированном углепластике она возрастает в 5-7 раз.

Рост механических потерь с увеличением температуры объясняется снижением модуля сдвига углепластика, что связано со значительными физическими изменениями, происходящими в полимерных связующих при повышении температуры. С уменьшением модуля сдвига наблюдается монотонное повышение коэффициента механических потерь.

Теплофизические характеристики углепластиков зависят от типа волокон, типа и объемного содержания матрицы, содержания пор в матрице, температуры испытаний. Для различных углепластиков они существенно не различаются и находятся в следующих диапазонах:

· для коэффициентов теплопроводности 0,5… 1,0 Вт/м*С;

· для коэффициента теплоемкости 0,8… 1,5 ккал/кг * °С.

Имеющиеся сведения о поведении углепластиков под влиянием различных факторов внешней среды и в условиях, близких к эксплуатационным, могут быть использованы для прогнозирования их ресурсных характеристик.

Среди разнообразных видов воздействия наиболее опасным и отрицательно влияющим на структуру и свойства для всех ПКМ является климатическое термовлажностное циклирование, чередующееся или сочетающееся с рабочими тепловыми или механическими нагрузками. Свойства углепластиков в сухом состоянии при комнатной и повышенной температурах и после длительного термостарения изменяются незначительно. При совместном действии влаги и температуры наблюдаются структурные превращения в матрице и на границах раздела «волокно-матрица», вызывающие ухудшение характеристик. Механизм изменения свойств, обусловленный сорбцией влаги, связан с двумя основными процессами: потерями температурной прочности и жесткости вследствие пластификации матрицы в объеме и в приграничном слое и потерями из-за микро- и макрорастрескивания матрицы. В зависимости от типа материала их предельное влагопоглощение различается в 1,5—2 раза и составляет для наиболее влагостойких материалов 1 %.

5. Применение углепластиков

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 гражданской аэрокосмической отрасти 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 различных видов гражданских судов.

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.

Композиционные материалы интенсивно входят в привычный мир каждого человека. Из них создаются многие товары народного потребления: предметы интерьера, детали бытовых приборов, спортивная экипировка и инвентарь, детали ЭВМ и многое другое [7].

6. Достоинства и недостатки карбона

Более высокая цена карбона по сравнению со стеклопластиком и стекловолокном объясняется более сложной, энергоемкоймногоэтапной технологией, дорогими смолами и более дорогостоящим оборудованием (автоклав). Но и прочность с эластичностью при этом получаются выше наряду со множеством других неоспоримых достоинств:

· карбон из углерода и кевлара немного тяжелее, чем из углерода и резины, но намного прочнее, а при ударах трескается, крошится, но не рассыпается на осколки,

· высокая термостойкость: карбон сохраняет форму и свойства до температуры 2000 _С.

· обладает хорошими виброгасящими свойствами и теплоемкостью,

· высокий предел прочности на разрыв и высокий предел упругости,

· эстетичность и декоративность.

Но по сравнению с металлическими и деталями из стекловолокна углеводородные детали имеют недостатки:

· чувствительность к точечным ударам,

· сложность реставрации при сколах и царапинах,

· выцветание, выгорание под воздействием солнечных лучей, для защиты покрывают лаком или эмалью,

· длительный процесс изготовления,

· в местах контакта с металлом начинается коррозия металла, поэтому в таких местах закрепляют вставки из стекловолокна,

· сложность утилизации и повторного использования [4].

Гибкость углеродного полотна, возможность его удобного раскроя и резки, последующей пропитки эпоксидной смолой позволяют формовать карбоновые изделия любой формы и размеров, в том числе и самостоятельно.

Имеет некоторые недостатки, такие как чувствительность к точечным ударам, сложность реставрации при сколах и царапинах, выцветание, выгорание под воздействием солнечных лучей, для защиты покрывают лаком или эмалью, длительный процесс изготовления, в местах контакта с металлом начинается коррозия металла, поэтому в таких местах закрепляют вставки из стекловолокна, сложность утилизации и повторного использования.

1.Статья. Эксплуатацыонные материалы: Углепластики.

2. Справочник Дж. Любина.Композиционные материалы», М.Машиностроение, 1988

4.Статья. Что такое углепластик (карбон).Ирина Химич, технический консультант.

5.Статья «Как изготовляют карбон (углепластик). Технология производства. В России карбон не производят?»

6. Л. Альшиц, А. Зильбнрман. «Катера и яхты», №151. Что такое углепластик?

7.Доклад. Применение углепластика в различных промышленностях.

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

История возникновения и развития эпоксидных смол, их основные свойства. Структура общего объема потребления эпоксидных смол в промышленности. Методы производства данного материала: полимеризация и отверждение. Основные способы применения эпоксидных смол.

реферат [925,1 K], добавлен 15.09.2012

Физико-механические свойства базальтовых волокон. Производство арамидных волокон, нитей, жгутов. Основная область применения стекловолокна и стеклотекстильных материалов. Назначение, классификация, сфера применения углеродного волокна и углепластика.

контрольная работа [39,4 K], добавлен 07.10.2015

Создание и применение металлических слоистых композиционных материалов, их физико-механические и эксплуатационные свойства. Технология производства трехслойной втулки из магниево-алюминиевых композитов АМг6 и АД1. Способы изготовления, оборудование.

курсовая работа [1,5 M], добавлен 25.12.2014

Сравнительный анализ свойств материалов для изготовления нитей накаливания и термопар. Характеристика вольфрама и устройство термопары как системы разнородных проводников. Свойства и область применения термопарной проволоки: алюминий, хромель, копель.

реферат [7,6 K], добавлен 10.03.2011

Неразрушающий контроль материалов с использованием источника тепловой стимуляции. Композиты: виды, состав, структура, область применения и преимущества. Применение метода импульсно-фазовой термографии для определения дефектов в образце из углепластика.

курсовая работа [4,2 M], добавлен 15.03.2014

Классификация, маркировка, состав, структура, свойства и применение алюминия, меди и их сплавов. Диаграммы состояния конструкционных материалов. Физико-механические свойства и применение пластических масс, сравнение металлических и полимерных материалов.

учебное пособие [4,8 M], добавлен 13.11.2013

Классификация углеродных наноструктур. Модели образования фуллеренов. Сборка фуллеренов из фрагментов графита. Механизм образования углеродных наночастиц кристаллизацией жидкого кластера. Методы получения, структура и свойства углеродных нанотрубок.

курсовая работа [803,5 K], добавлен 25.09.2009

Источник

Преимущества и недостатки карбона

Все, кто более или менее интересуются велоиндустрией, знают, что самые дорогие и топовые велосипеды сделаны из карбона. Карбон это материал, который представляет собой нити из углеродного волокна, соединенные посредством полимерного материала, например, эпоксидной смолы. Крайне широко используется в производстве топовых гоночных велосипедов. Практически все велосипеды во всех дисциплинах маунтинбайка имеют карбоновые рамы и компоненты. Впрочем, с гоночными технологиями высшего уровня все понятно, там тысячи долларов оплачивают каждую сэкономленную секунду. А что же обычный рядовой пользователь? Карбоновые рамы и прочие компоненты доступны для всех, пусть и будет некоторая разница в цене. Так имеет ли смысл переплачивать? Рассмотрим преимущества и недостатки карбона в этой статье.

Преимущества

Небольшой вес

Когда мы говорим о карбоне, мы сразу вспоминаем то, что карбон отличается крайне низким весом. И это действительно так. Если для эндуро или даунхилла масса велосипеда не имеет настолько критического значения, то, например, в кросс-кантри счет идет на каждый грамм. Не сказать что разница в весе между алюминиевой и карбоновой рамами будет прямо драматической, однако, все же она весьма ощутима. А если использовать помимо рамы и другие карбоновые компоненты, то экономия будет солидная.

Амортизационные свойства

Едва ли не более важное свойство карбона, чем его низкий вес. Однако, об этом, как правило, знают не все. Дело в том что карбон гасит удары, получаемые вашим велосипедом при езде. Особенно это становится заметно и критично при отсутствии подвески. Если вы попробуете прокатиться на карбоновой раме, а затем на алюминиевой вы безусловно заметите разницу, и разница эта будет явно не в пользу алюминия. Да и не только рамы дают этот бонус. Карбоновый руль например, тоже будет немного гасить удары и, соответственно, ваши руки будут меньше уставать.
А также, карбоновая рама не накапливает усталость и не теряет в жесткости, в отличие от того же алюминия.

Ремонтопригодность

Даже если вы разобьете раму в щепки, ее можно будет собрать заново. А особенно приятным будет тот факт, что заново склеенная рама не потеряет ни жесткости, ни прочности. Алюминий или сталь в месте трещины навсегда приобретут уязвимость, и потеряют жесткость, а карбон после ремонта будет как новый, а то и лучше.

Недостатки

Высокая цена

За технологичность надо платить. Поэтому цена карбонового велосипеда будет значительно выше цены алюминиевого. А цена некоторых вещей, например, карбоновых ободов ENVE может быть соизмерима с ценой целого велосипеда. Поэтому, их покупка может быть приемлема и оправдана далеко не для всех.

Уязвимость к точечным ударам

Там, где на алюминиевой раме будет вмятина или царапины, на карбоновой будет пролом. Натурально выломанный кусок. Карбон, к сожалению, не умеет вминаться и намного хуже распределяет инерцию удара по всей поверхности. Это значительный минус, но, во-первых, точечные удары случаются довольно редко. А во-вторых, как уже было написано выше, карбон абсолютно ремонтопригоден и любой пролом можно будет заклеить и вернуть в состояние нового.

Прикипание

Это такое занимательное свойство карбона, при котором, используя, например, карбоновый подседел с карбоновой рамой или карбоновый вынос с рулем, вы к концу сезона с удивлением обнаружите, что ваши две детали превратились в одну монолитную. И даже WD-40 не поможет. Говорят, существуют способы таки разъединить две детали, сохранив обе, но повезти может не всегда.
Впрочем, этот процесс можно предотвратить при помощи специальных смазок, которыми надо вовремя пользоваться.

Резюме

Карбоновые детали занимают доминирующее положение в производстве топовых велосипедов неспроста. Если у вас есть возможность, обязательно купите себе хотя бы карбоновую раму. Разницу с алюминием вы почувствуете практически сразу и переходить обратно на алюминий вам вряд ли захочется. Преимущества карбона явно превосходят его недостатки.

Источник