Что такое углеволокно: Что такое углеволокно — ИА «Пресс-Лайн»

Что такое углеволокно — ИА «Пресс-Лайн»

Сегодня разработано множество уникальных синтетических материалов, которые по своим качествам во много раз превосходят натуральные. Один из самых известных и востребованных – карбон. По сути, он представляет собой углепластик, в основе которого находится углеволокно. Для него характерны высокая прочность, жёсткость, небольшой вес. Неудивительно, что такие качества делают возможным его применения во множестве областей.

Что представляет собой карбон

Термин «карбон» — это сокращение от Carbon Fiber. Переводится это словосочетание как «углеродное волокно». Таким образом, это синоним углепластика или углеткани. Производят этот материал следующим образом:

• синтетическое волокно нагревают до очень высокой температуры;
• в процессе нагрева оно полностью обугливается;
• тонкие нити сплетаются в ткань.

Производство основано на том, что исходный полимер подвергается нескольким циклам нагрева.

На первом этапе изменяется внутренняя структура полимера. Затем температура повышается, и из атомов углерода исчезает водород. Циклы нагрева повторяются, в результате чего водород удаляется полностью. В процессе дальнейшего нагрева из волокон удаляется и азот. С каждым этапом в полимере увеличивается количество атомов углерода и упрочняется связь между ними. Этот процесс носит название графитизация.

В настоящее время выпускается несколько видов углеволокна. Общим для них является углеродный наполнитель. А вот связующее вещество может быть разным.

Преимущества и направления применения

Главным плюсом таких волокон является их небольшой вес в сочетании с высокой прочностью. Получившийся материал почти вполовину легче стали и на 20% легче алюминия. При этом прочностью он им не уступает! Кроме того, этот материал не подвержен коррозии и химически инертен.

Благодаря таким качествам углеволокно широко применяется:

• в автомобильной промышленности;
• в строительстве для замены стальной арматуры;
• в самолётостроении;
• при изготовлении изделий для электро- и радиотехники;
• для создания фильтрующих слоёв;
• в оборонной сфере и пр.

Кроме того, решение купить углеродную ткань часто принимают производители спортинвентаря. В целом можно сделать вывод, что этот материал нужен везде, где требуется снизить вес изделия, не теряя при этом прочности.

на правах рекламы

Углеводородное волокно, карбоновая нить, производство полимерных материалов и карбона, углеволокно цена

Углеродное волокно — материал, состоящий из тонких нитей диаметром от 3 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.

Производством углеродного волокна в России занимается компания ООО «Композит-Волокно», входящее в холдинг «Композит»

Углеродное волокно является основой для производства углепластиков (или карбона, карбонопластиков, от «carbon», «carbone» — углерод). Углепластики — полимерные композиционные материалы из переплетенных нитей углеродного волокна, расположенных в матрице из полимерных (чаще эпоксидных) смол.

Углеродные композиционные материалы отличаются высокой прочностью, жесткостью и малой массой, часто прочнее стали, но гораздо легче.

Производство полимерных материалов

Наше предложение

Производство полимерных материалов требует значительного опыта. Для достижения принятых стандартов качества необходимы не только квалифицированные сотрудники, но и налаженная технология изготовления изделий. По этим причинам все представленные позиции в каталоге имеют высокое качество, гарантируют достижение поставленных перед ними задач и обладают регулярными положительными отзывами.

В каталоге вы сможете подобрать изделия для таких сфер:

• машиностроение;
• космическая и авиационная промышленность;
• ветроэнергетика;
• строительство;
• спортивный инвентарь;
• товары народного потребления

Наше производство изделий из полимерных материалов может обеспечить вас тем количеством изделий, которое вам будет необходимо. Отсутствуют ограничения по объему заказа. При этом вы можете рассчитывать на полную консультацию от профессионалов и оперативное выполнение поставленных задач. Производство полимерных материалов в России, которое мы осуществляем, дает возможность приобретения необходимых единиц каталога по оптовой системе. Изучите наш каталог, а также, если у вас остались какие-либо вопросы — не откладывайте их на потом и обращайтесь прямо сейчас в нашу службу поддержки.

Почему цена на углеволокно так высока?

Большие затраты энергии — основная причина высокой себестоимости углеродного волокна. Впрочем, это с лихвой компенсируется впечатляющим результатом. Даже не верится, что все начиналось с «мягкого и пушистого» материала, содержащегося в довольно прозаических вещах и известных не только сотрудникам химических лабораторий. Белые волокна — так называемые сополимеры полиакрилонитрила — широко используются в текстильной промышленности. Они входят в состав плательных, костюмных и трикотажных тканей, ковров, брезента, обивочных и фильтрующих материалов.

Иными словами, сополимеры полиакрилонитрила присутствуют везде, где на прилагающейся этикетке упомянуто акриловое волокно. Некоторые из них «несут службу» в качестве пластмасс. Наиболее распространенный среди таковых — АБС-пластик. Вот и получается, что «двоюродных родственников» у карбона полным-полно. Карбоновая нить имеет впечатляющие показатели по усилию на разрыв, но ее способность «держать удар» на изгиб «подкачала». Поэтому, для равной прочности изделий, предпочтительнее использовать ткань. Организованные в определенном порядке волокна «помогают» друг другу справиться с нагрузкой. Однонаправленные ленты лишены такого преимущества. Однако, задавая различную ориентацию слоев, можно добиться искомой прочности в нужном направлении, значительно сэкономить на массе детали и излишне не усиливать непринципиальные места.

Что такое карбоновая ткань?

Для изготовления карбоновых деталей применяется как просто углеродное волокно с хаотично расположенными и заполняющими весь объем материала нитями, так и ткань (Carbon Fabric). Существуют десятки видов плетений. Наиболее распространены Plain, Twill, Satin. Иногда плетение условно — лента из продольно расположенных волокон «прихвачена» редкими поперечными стежками только для того, чтобы не рассыпаться. Плотность ткани, или удельная масса, выраженная в г/м2, помимо типа плетения зависит от толщины волокна, которая определяется количеством угленитей. Данная характеристика кратна тысячи. Так, аббревиатура 1К означает тысячу нитей в волокне. Чаще всего в автоспорте и тюнинге применяются ткани плетения Plain и Twill плотностью 150–600 г/м2, с толщиной волокон 1K, 2.5K, 3К, 6K, 12K и 24К. Ткань 12К широко используется и в изделиях военного назначения (корпуса и головки баллистических ракет, лопасти винтов вертолетов и подводных лодок, и пр.), то есть там, где детали испытывают колоссальные нагрузки.

Бывает ли цветной карбон? Желтый карбон бывает?

Часто от производителей тюнинговых деталей и, как следствие, от заказчиков можно услышать про «серебристый» или «цветной» карбон. «Серебряный» или «алюминиевый» цвет — всего лишь краска или металлизированное покрытие на стеклоткани. И называть карбоном такой материал неуместно — это стеклопластик. Отрадно, что и в данной области продолжают появляться новые идеи, но по характеристикам стеклу с углем углеродным никак не сравниться. Цветные же ткани чаще всего выполнены из кевлара. Хотя некоторые производители и здесь применяют стекловолокно; встречается даже окрашенные вискоза и полиэтилен. При попытке сэкономить, заменив кевлар на упомянутые полимерные нити, ухудшается адгезия такого продукта со смолами. Ни о какой прочности изделий с такими тканями не может быть и речи. Отметим, что «Кевлар», «Номекс» и «Тварон» — патентованные американские марки полимеров. Их научное название «арамиды». Это родственники нейлонов и капронов. В России есть собственные аналоги — СВМ, «Русар», «Терлон» СБ и «Армос». Но, как часто бывает, наиболее «раскрученное» название — «Кевлар» — стало именем нарицательным для всех материалов.

Что такое кевлар и какие у него свойства?

По весовым, прочностным и температурным свойствам кевлар уступает углеволокну.

Способность же кевлара воспринимать изгибающие нагрузки существенно выше. Именно с этим связано появление гибридных тканей, в которых карбон и кевлар содержатся примерно поровну. Детали с угольно-арамидными волокнами воспринимают упругую деформацию лучше, чем карбоновые изделия. Однако есть у них и минусы. Карбон-кевларовый композит менее прочен. Кроме того, он тяжелее и «боится» воды. Арамидные волокна склонны впитывать влагу, от которой страдают и они сами, и большинство смол. Дело не только в том, что «эпоксидка» постепенно разрушается водно-солевым раствором на химическом уровне. Нагреваясь и охлаждаясь, а зимой вообще замерзая, вода механически расшатывает материал детали изнутри. И еще два замечания. Кевлар разлагается под воздействием ультрафиолета, а формованный материал в смоле утрачивает часть своих замечательных качеств. Высокое сопротивление разрыву и порезам отличают кевларовую ткань только в «сухом» виде. Потому свои лучшие свойства арамиды проявляют в других областях. Маты, сшитые из нескольких слоев таких материалов, — основной компонент для производства легких бронежилетов и прочих средств безопасности. Из нитей кевлара плетут тонкие и прочные корабельные канаты, делают корд в шинах, используют в приводных ремнях механизмов и ремнях безопасности на автомобилях.

А можно обклеить деталь карбоном?

Непреодолимое желание иметь в своей машине детали в черно-черную или черно-цветную клетку привели к появлению диковинных суррогатов карбона. Тюнинговые салоны обклеивают деревянные и пластмассовые панели салонов углеродной тканью и заливают бесчисленными слоями лака, с промежуточной ошкуриванием. На каждую деталь уходят килограммы материалов и масса рабочего времени. Перед трудолюбием мастеров можно преклоняться, но такой путь никуда не ведет. Выполненные в подобной технике «украшения» порой не выдерживают температурных перепадов. Со временем появляется паутина трещин, детали расслаиваются. Новые же детали неохотно встают на штатные места из-за большой толщины лакового слоя.

Как производятся карбоновые и/или композитные изделия?

Технология производства настоящих карбоновых изделий основывается на особенностях применяемых смол. Компаундов, так правильно называют смолы, великое множество. Наиболее распространены среди изготовителей стеклопластиковых обвесов полиэфирная и эпоксидная смолы холодного отверждения, однако они не способны полностью выявить все преимущества углеволокна. Прежде всего, по причине слабой прочности этих связующих компаундов. Если же добавить к этому плохую стойкость к воздействию повышенных температур и ультрафиолетовых лучей, то перспектива применения большинства распространенных марок весьма сомнительна. Сделанный из таких материалов карбоновый капот в течение одного жаркого летнего месяца успеет пожелтеть и потерять форму. Кстати, ультрафиолет не любят и «горячие» смолы, поэтому, для сохранности, детали стоит покрывать хотя бы прозрачным автомобильным лаком.

Компаунды холодного твердения.

«Холодные» технологии мелкосерийного выпуска малоответственных деталей не позволяют развернуться, поскольку имеют и другие серьезные недостатки. Вакуумные способы изготовления композитов (смола подается в закрытую матрицу, из которой откачан воздух) требуют продолжительной подготовки оснастки. Добавим к этому и перемешивание компонентов смолы, «убивающее» массу времени, что тоже не способствует производительности. Говорить о ручной выклейке вообще не стоит. Метод же напыления рубленого волокна в матрицу не позволяет использовать ткани. Собственно, все идентично стеклопластиковому производству. Просто вместо стекла применяется уголь. Даже самый автоматизированный из процессов, который к тому же позволяет работать с высокотемпературными смолами (метод намотки), годится для узкого перечня деталей замкнутого сечения и требует очень дорогого оборудования.

Эпоксидные смолы горячего отверждения прочнее, что позволяет выявить качества карбонов в полной мере. У некоторых «горячих» смол механизм полимеризации при «комнатной» температуре запускается очень медленно. На чем, собственно, и основана так называемая технология препрегов, предполагающая нанесение готовой смолы на углеткань или углеволокно задолго до процесса формования. Приготовленные материалы просто ждут своего часа на складах.

В зависимости от марки смолы время жидкого состояния обычно длится от нескольких часов до нескольких недель. Для продления сроков жизнеспособности, приготовленные препреги, иногда хранят в холодильных камерах. Некоторые марки смол «живут» годами в готовом виде. Прежде чем добавить отвердитель, смолы разогревают до 50–60 C, после чего, перемешав, наносят посредством специального оборудования на ткань. Затем ткань прокладывают полиэтиленовой пленкой, сворачивают в рулоны и охлаждают до 20–25 C. В таком виде материал будет храниться очень долго. Причем остывшая смола высыхает и становится практически не заметной на поверхности ткани. Непосредственно при изготовлении детали нагретое связующее вещество становится жидким как вода, благодаря чему растекается, заполняя весь объем рабочей формы и процесс полимеризации ускоряется.

Компаунды горячего твердения.

«Горячих» компаундов великое множество, при этом у каждой собственные температурные и временные режимы отверждения. Обычно, чем выше требуемые показания термометра в процессе формовки, тем прочнее и устойчивее к нагреву готовое изделие. Исходя из возможностей имеющегося оборудования и требуемых характеристик конечного продукта, можно не только выбирать подходящие смолы, но делать их на заказ. Некоторые отечественные заводы-изготовители предлагают такую услугу. Естественно, не бесплатно.

Препреги как нельзя лучше подходят для производства карбона в автоклавах. Перед загрузкой в рабочую камеру нужное количество материала тщательно укладывается в матрице и накрывается вакуумным мешком на специальных распорках. Правильное расположение всех компонентов очень важно, иначе не избежать нежелательных складок, образующихся под давлением. Исправить ошибку впоследствии будет невозможно. Если бы подготовка велась с жидким связующим, то стала бы настоящим испытанием для нервной системы рабочих с неясными перспективами успеха операции.

Процессы, происходящие внутри установки, незатейливы. Высокая температура расплавляет связующее и «включает» полимеризацию, вакуумный мешок удаляет воздух и излишки смолы, а повышенное давление в камере прижимает все слои ткани к матрице. Причем происходит все одновременно.

С одной стороны, одни преимущества. Прочность такого углепластика практически максимальна, объекты самой затейливой формы делаются за один «присест». Сами матрицы не монументальны, поскольку давление распределено равномерно во всех направлениях и не нарушает геометрию оснастки. Что означает быструю подготовку новых проектов. С другой стороны, нагрев до нескольких сотен градусов и давление, порой доходящее до 20 атм., делают автоклав очень дорогостоящим сооружением. В зависимости от его габаритов цены на оборудование колеблются от нескольких сотен тысяч до нескольких миллионов долларов. Прибавим к этому нещадное потребление электроэнергии и трудоемкость производственного цикла. Результат — высокая себестоимость продукции. Есть, впрочем, технологии подороже и посложнее, чьи результаты впечатляют еще больше. Углерод-углеродные композиционные материалы (УУКМ) в тормозных дисках на болидах Формулы-1 и в соплах ракетных двигателей выдерживают чудовищные нагрузки при температурах эксплуатации, достигающих 3000 C. Эту разновидность карбона получают путем графитизации термореактивной смолы, которой пропитывают спрессованное углеродное волокно заготовки. Операция чем-то похожа на производство самого углеволокна, только происходит она при давлении 100 атмосфер. Да, большой спорт и военно-космическая сфера деятельности способны потреблять штучные вещи по «заоблачным» ценам. Для тюнинга и, тем более, для серийной продукции такое соотношение «цены-качества» неприемлемо.

Если решение найдено, оно выглядит настолько простым, что удивляешься: «Что же мешало додуматься раньше?». Тем не менее, идея разделить процессы, происходящие в автоклаве, возникла спустя годы поиска. Так появилась и стала набирать обороты технология, сделавшая горячее формование карбона похожим на штамповку. Препрег готовится в виде сэндвича. После нанесения смолы ткань с обеих сторон покрывается либо полиэтиленовой, либо более термостойкой пленкой. «Бутерброд» пропускается между двух валов, прижатых друг к другу. При этом лишняя смола и нежелательный воздух удаляются, примерно так же, как и при отжиме белья в стиральных машинах образца 1960-х годов. В матрицу препрег вдавливается пуансоном, который фиксируется резьбовыми соединениями. Далее вся конструкция помещается в термошкаф.

Тюнинговые фирмы изготавливают матрицы из того же карбона и даже прочных марок алебастра. Гипсовые рабочие формы, правда, недолговечны, но пара-тройка изделий им вполне по силам. Более «продвинутые» матрицы делаются из металла и иногда оснащаются встроенными нагревательными элементами. В серийном производстве они оптимальны. Кстати, метод подходит и для некоторых деталей замкнутого сечения. В этом случае легкий пуансон из вспененного материала остается внутри готового изделия. Антикрыло Mitsubishi Evo — пример такого рода.

Механические усилия заставляют думать о прочности оснастки, да и система матрица — пуансон требует либо 3D-моделирования, либо модельщика экстра-класса. Но это, все же, в сотни раз дешевле технологии с автоклавом.

Алексей Романов редактор журнала «ТЮНИНГ Автомобилей»

Углеродное волокно — Что такое Углеродное волокно?

Углеродное волокно — материал, состоящий из тонких нитей диаметром 3-15 микрон

Углеродное волокно — материал, состоящий из тонких нитей диаметром 3-15 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.

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.

• 1^й этап. Окисление исходного (полиакрилонитрильного, вискозного) волокна на воздухе при температуре 250 °C в течение 24 часов. В результате окисления образуются лестничные структуры.

• 2^й этап. Нагрев 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.

УВ имеют исключительно высокую теплостойкость: при тепловом воздействии вплоть до 1600-2000 °С в отсутствии кислорода механические показатели волокна не изменяются. 

Это предопределяет возможность применения УВ в качестве тепловых экранов и теплоизоляционного материала в высокотемпературной технике. 

На основе УВ изготавливают углерод-углеродные композиты, которые отличаются высокой абляционной стойкостью.

УВ устойчивы к агрессивным химическим средам, однако окисляются при нагревании в присутствии кислорода. 

Их предельная температура эксплуатации в воздушной среде составляет 300-350°С. 

Нанесение на УВ тонкого слоя карбидов, в частности SiC, или нитрида бора позволяет в значительной мере устранить этот недостаток.

Благодаря высокой химической стойкости УВ применяют для фильтрации агрессивных сред, очистки газов, изготовления защитных костюмов и др.  

Изменяя условия термообработки, можно получить УВ с различными электрофизическими свойствами (удельное объёмное электрическое сопротивление от 2•10−3 до 106 ом/см) и использовать их в качестве разнообразных по назначению электронагревательных элементов, для изготовления термопар и др.

Активацией УВ получают материалы с большой активной поверхностью (300-1500 м²/г), являющиеся прекрасными сорбентами. 

Нанесение на волокно катализаторов позволяет создавать каталитические системы с развитой поверхностью.

Обычно УВ имеют прочность порядка 0,5-1 ГПа и модуль 20-70 ГПа, а подвергнутые ориентационной вытяжке — прочность 2,5-3,5 ГПа и модуль 200-450 ГПа. 

Благодаря низкой плотности (1,7-1,9 г/см³) по удельному значению (отношение прочности и модуля к плотности) механических свойств лучшие УВ превосходят все известные жаростойкие волокнистые материалы. 

Удельная прочность УВ уступает удельной прочности стекловолокна и арамидных волокон.  

На основе высокопрочных и высокомодульных УВ с использованием полимерных связующих получают конструкционные углеродопласты. 

Разработаны композиционные материалы на основе УВ и керамических связующих, УВ и углеродной матрицы, а также УВ и металлов, способные выдерживать более жесткие температурные воздействия, чем обычные пластики.

УВ применяют для армирования композиционных, теплозащитных, хемостойких материалов в качестве наполнителей в различных видах углепластиков. 

Из УВМ изготавливают электроды, термопары, экраны, поглощающие электромагнитное излучение, изделия для электро- и радиотехники. 

На основе УВ получают жесткие и гибкие электронагреватели, в том числе ставшие популярными т. н. «карбоновые нагреватели», обогреваемую одежду и обувь. 

Углеродный войлок — единственно возможная термоизоляция в вакуумных печах, работающих при температуре 1100 °C и выше.  

Благодаря химической инертности углеволокнистые материалы используют в качестве фильтрующих слоев для очистки агрессивных жидкостей и газов от дисперсных примесей, а также в качестве уплотнителей и сальниковых набивок.

Применение углеволокна (карбона) в строительстве

Беседка из углепластика

На сегодняшний день с изделиями из бетона и стали успешно соперничают материалы из шнуров, тканей, волокон и лент изготовленных из современных углеводородов. При этом такие материалы обладают небольшой толщиной и весом.

Даже холст толщиной всего в несколько миллиметров, пропитанный отвердевшей смолой по своей прочности превосходит 15 миллиметровый лист фанеры и в пять раз прочнее стали.

Содержание статьи

Что такое углеродные волокна

Улеволокно (карбон) представляет собой полимерно-композитный материал, в основе которого лежат углеродные нити. Имеет наибольшую популярность среди других пластиков и композитов. Имея четырёх кратную прочность на разрыв, чем у наилучших марок стали, углеволокно намного легче железа (на 75%) и алюминия (на 30%).

Углеродные нити достаточно ломкие и поэтому из них создают эластичное полотно. А добавление полимерных связующих составов  позволяет изготавливать углепластик, совершивший революцию во множестве сфер деятельности человека.

Для чего нужен карбон (углеволокно)

Углеродные волокна представляют собой альтернативу традиционным материалам, например, стали, алюминию, стеклопластику и для строительства легких ферм и каркасных конструкций.  Они обладают высокой прочностью, надежностью,  возможностью настройки, и имеют малый вес.

Углеволокно на данный момент пользуется большим спросом у строителей и ремонтников. Подобная популярность обусловлена высокой прочностью материала. Это качество очень важно при обустройстве внешнего армирования кирпичных, железобетонных и деревянных систем.

Конструкция, оклеенная углеволокном, получает дополнительно до 60 % прочности и до 110 % прочности на сжатие. Хоть и выглядит это не достаточно правдоподобно, все проверки по СНиП и ГОСТ это подтверждают. Поэтому, если собираетесь делать ремонт или занимаетесь строительством, можете в серьез подумать об усилении из карбона.

Усиление прочности конструкции позволяет сократить размеры основания. Углеволокно удерживает на себе значительные нагрузки, самое главное, чтобы было, куда его приклеить. Сокращение необходимого материала за счет использования современного карбона является актуальным мероприятием для отдаленных регионов, куда сложно доставить тяжелые строительные материалы.

Помимо этого углеволокно сейчас используют при ремонте несущих элементов из камня. Путем армирования восстанавливаются балки и опоры бетонных мостов. Как правило, используется карбон в промышленности, но может применяться и в частном строительстве, где нагрузки значительно ниже, а значит, запас прочности будет довольно большим.

Достоинства материала

Многие знают о коррозии сборного железобетона, которую вызывает стальная арматура. При использовании сетки из углеродного волокна вместо стальной арматуры результаты получаются превосходными.

1. Бетонные стеновые панели можно делать намного тоньше.
2. Вес панелей становиться намного легче (до 75%).
3. Не требуется дополнительная теплоизоляция потому, что углеволокно не проводит тепло или холод.
4. Обладает высокой огнестойкостью.
5. Этот новый материал уже используется для производства стеновых сендвич панелей.

Недостатки

Углеродное волокно также имеет недостатки, которые должны быть приняты во внимание при планировании его использования.

1. Этот материал довольно дорогой по сравнению с аналогами.
2. Материал имеет способность отражать электрические волны, что может быть недостатком в некоторых случаях.
3. Процесс изготовления композитов более трудоемкий, чем изготовление металла.

Углеродное волокно – восстановление здоровья или одно из самых эффективных лечений современности

Что такое углеродное волокно и за счёт чего оно может лечить и восстанавливать здоровье ? За счет чего углеродная ткань обладает такой уникальной целительной силой?

Для некоторых, углеродная ткань не представляет никакой ценности, в силу отсутствия каких-либо знаний об этом материале и его уникальных свойствах.

Углеродный текстильный материал на самом деле может помочь вашему организму задействовать свои природные возможности по регенерации и восстановлению больных, поврежденных органов и тканей. 

В народе иногда данный текстильный материал называю «черный подорожник» отождествляя его с природным целительным растением.

Вся его ценность кроется в том, из чего его производят и каким образом.

Углеродное волокно получают термической обработкой химических полимерных (ПАН) или природных органических волокон (вискозных) за счет их поэтапной высокотемпературной обработки (до 3000°C). Содержание углерода в готовом волокне составляет 92-99,99 %.

Если при производстве углеродного волокна полиакрилонитрил (ПАН) используется в большей степени как композит конструкционный, где определяющим является прочность, то вискозное волокно в высокотемпературных процессах дополняет и замещает графит. Поэтому, вискозное углеродное волокно и применяется в первую очередь, как углеродный материал, а не как сверхпрочный конструкционный.

Само же по себе исходное вискозное волокно (белое)  — это искусственное химическое волокно из гидратцеллюлозы, полученное в свою очередь из природной целлюлозы в процессе многоступенчатой щелочной обработки. Гидратцеллюлоза характеризуется высокими сорбционными свойствами, гигроскопичностью и большей способностью к гидролизу, этерификации и окислению. Поэтому в основу лечебных свойств углеродного волокна и ткани заложено именно вискозное волокно.

Упрощённо схему получения вискозного материала (основного сырья для углеродного материала) можно представить следующим образом:

Далее готовое вискозное волокно в виде ткани или нити передается на высокотемпературную обработку, где уже формируется само углеродное волокно:

Углеродный волокнистый сорбент производится на основе пиролиза (разложения органических природных соединений при недостатке кислорода) с последующей активацией волокон на основе вискозы. Такой материал характеризуются микропористой структурой, предназначенной для сорбции вредных веществ. Изменяя условия процесса активации можно улучшать сорбционные свойства материала за счет увеличения объема микропор. Углеродный волокнистый материал обладает отличными сорбционными свойствами (1 гр. может поглотить до 50 гамм нефтепродуктов).

В готовом виде углеродное волокно состоит из микро нитей диаметром до 15 микрон, полученных в основном атомами углерода. Атомы углерода объединены в микро- кристаллы, выстроенные параллельно друг другу в виде слоев графита. При нагреве и вытяжке угловое расположение этих слоев может значительно изменяться. Ориентация углеродных слоев становится более совершенной при увеличении температуры термообработки.  Поры волокна сориентированы  вдоль своей оси.  Их объемная доля увеличивается с повышением температуры и уменьшается при вытяжке.

Регулируя процесс термообработки, можно получить углеродное волокно с различными электрофизическими свойствами.

Исходя из сложной морфологической  структуры элементарного углеволокна,  данный материал обладает способностью образовывать стабильные цепи, обеспечивающие разнообразие органических соединений. Углеродная ткань уникальна и тем, что воздух проходя через ее волокна  насыщается отрицательными ионами, что благотворно влияет на весь организм, исцеляя его от многих болезней.

Исходя из природных свойств исходного сырья, самой технологии его переработки и рождаются полезные свойства этого материала, который может быть представлен в виде углеродных салфеток, повязок, жгутов и других текстильных и трикотажных изделий.

Уникальность углеродной ткани, как средства для восстановления здоровья заключается в его :

• высоких сорбционных свойствах
• способности сохранять инфракрасное излучение, исходящее от самого источника

Высокие сорбционные свойства углеродного волокна способствуют эффективному снятию воспалительных процессов, повреждений различной этиологии и стимуляции роста жизнеспособных грануляций. Восстановление поврежденных тканей и органов происходит в 2 раза быстрее по сравнению с обычными методами лечения.

Сложная структура углеродной ткани, её волокнистость  и одновременно токопроводность, обеспечивают применение материала в качестве экрана от электромагнитных излучений.

В свою очередь данное свойство может позитивно влиять и на здоровье —  способствовать регенерации и стимуляции иммунной системы  человека за счет возможности возврата этого излучения тем клеткам, органам и системам, которые они излучают сами на тех же частотах.

Кроме электромагнитного излучения такой углеродной ткани свойствены нейтральность к воде, высокой температуре, агрессивным средам и она обладает высокой поглощаемостью запахов. Свойство переотражения инфракрасного излучения способствует созданию эффекта сухого тепла, направленного на регенерацию и восстановление поврежденных органов и тканей, стимуляцию иммунной системы.

Процесс регенерации и восстановления органов является сегодня одной из актуальных тем биологии и современной медицины. Ученые всего мира до конца не могут понять, почему у одних живых организмов процесс восстановления тканей присущ (пресмыкающиеся и тому подобные), а для других нет. Загадка кроется в этапе эмбрионального начала развития организма, когда этот процесс вполне осуществим, за счет пиковой активности регенерирующей функции организма. И все усилия сводятся к тому, чтобы разбудить мозг и заставить вспомнить этот этап и активировать эту природную возможность.

Конечно, современная медицина в своем идеале имеет определенные подходы в решении такой проблемы. Есть утверждения, что процесс регенерации тканей живого организма возможен только с помощью стволовых клеток, которых во взрослом организме очень ограниченное количество. Именно с детородной функции образуются первые стволовые клетки, с которых начинается развитие органов и тканей человека. Поэтому целью современной науки и является поиск методов и способов активизации организма к воспроизводству этих, уникальных своего рода, клеток.

Пытаясь раскрыть тайну регенерации тканей и проводя исследования над организмами, обладающими такими способностями (ящерицы, моллюски, саламандра), учёные Австралийского института регенеративной медицины сделали заявление, что в основе регенерационной способности организма лежат клетки иммунной системы, которые предназначены переваривать отмершие клетки, грибки и бактерии, отторгнутые организмом и способствовать созданию на их основе здоровых, в прямом смысле этого слова.

Долгие эксперименты на саламандрах позволили специалистам сделать заключение, что именно клетки иммунной системы формируют особые химические вещества, которые создают основу регенеративного процесса. Активировать регенерационные процессы, в человеческом организме, возможно только добавив в него определенные специальные компоненты или пробудив саму иммунную систему выполнять  свои врожденные функции.

Вот в этом как раз и проявляются лечебные свойства углеродной ткани, как источника инфракрасного излучения от тех же органов, которые его излучают, пробуждая тем самым иммунную систему человека на восстановление больных клеток, органов и систем!

Для этих целей успешно используется текстильный углеродный сорбент медицинского назначения в виде углеродных салфеток, повязок, жгутов, поясов,  шорт, нарукавников, наколенников, масок для сна и углеродных вкладышей для постельного белья.

В заключение хотелось бы отметить, что углеродное волокно на вискозной основе представляет из себя сложной морфологической  структуры продукт на природной основе, созданный в процессе его высокотехнологичной обработки.

Из-за своей уникальности и относительной дороговизны, данный материал ограничен объемами своего производства в мировых масштабах. Учитывая свою техническую и социальную значимость, данный материал является дефицитным продуктом.

Применение углеволокна в строительстве: армирование и усиление несущих конструкций своими руками

Современное строительство, как и любая другая отрасль, не обходится без внедрения инновационных технологий,  и уже сегодня материалы, ранее используемые только в наукоемких производствах, таких как ракетостроение, широко применяются в строительной сфере, формируя архитектуру будущего. Одной из наиболее важных задач современного строительства является предотвращение проблем, связанных с прочностью зданий и сооружений, которая находится под влиянием динамических нагрузок, перепадов температур и других агрессивных климатических факторов.  В результате этого на бетонных стенах построек появляются трещины, отслаивается защитный слой, что приводит к снижению эксплуатационных характеристик зданий. В связи с этим, неотъемлемым этапом строительства стало армирование несущих конструкций, призванное предотвратить их преждевременное разрушение. Если раньше популярным материалом, используемым в этих целях, долгое время был стеклохолст, то сегодня его постепенно вытесняет новый востребованный материал – углеволокно, о характеристиках и особенностях использования которого поговорим далее.

Содержание

1. Что такое углеволокно? Особенности использования материала
2. Технические характеристики углеволокна: основные преимущества
3. Каким требованиям должна отвечать эффективная технология армирования?
4. В каких ситуациях необходимо осуществление внешнего армирования?
5. Распространенные конструктивные решения для углеволокна
6. Армирование фундамента своими руками: пошаговая инструкция

 

Что такое углеволокно? Особенности использования материала

Углеродное волокно – линейно-упругий композитно-полимерный материал искусственного происхождения, структурным элементом которого являются тонкие углеродные нити диаметром от 3 до 15 микрон, состоящие из атомов углерода. Последние, в свою очередь, объединены в кристаллы микроскопических размеров, которые, благодаря выравниванию, расположены параллельно друг другу. Выравнивание способствует повышению прочности волокна на растяжение. По своим техническим характеристикам, в частности твердости, углеволокно в несколько раз превосходит металл, вследствие чего широко используется в оборонной промышленности, аэрокосмическом производстве и строительной сфере. Несмотря на то, что уникальные характеристики углеволокна позволяют считать данный материал инновационным, он не является изобретением нашего столетия и давно используется в авиа- и ракетостроении, а с конца прошлого столетия и в строительстве. Впервые в этой сфере он появился  в 1980 году, когда в Калифорнии все здания и сооружения стали возводиться с использованием углеродного волокна, что позволило укрепить постройки, расположенные на сейсмически активной территории. Взяв это свойство на вооружение, отечественные строители нашли применение данному материалу в процессе проведения ремонтных мероприятий в жилых домах, и с тех пор его популярность только растет.

Важно! Следует помнить, что углеволокно, аналогично бетону, является лишь материалом, а не конечным готовым изделием. Оно является основой для изготовления большого количества материалов, используемых в строительстве для армирования своими руками. К ним относятся углеродные сетки, ламели и ленты.

Технические характеристики углеволокна: основные преимущества

Углеродное волокно состоит из полиакрилнитрита, прошедшего предварительную обработку высокими температурами (до 3-5 тысяч градусов). В силу технических особенностей, углеволокно используется для внешнего армирования, в процессе которого его пропитывают связующим веществом (двухкомпонентная эпоксидная смола) и аналогично обоям наклеивают на поверхность конструкции, нуждающейся в укреплении. Целесообразность применения именно этого связующего вещества доказана по нескольким направлениям:

• Во-первых, эпоксидная смола обладает высокой адгезией к железобетону;
• Во-вторых, после вступления в химическую реакцию со смолой углеволокно превращается в жесткий пластик, приобретая прочность, в 6-7 раз превосходящую прочность стали.

На сегодняшний день углеволокно характеризуется наибольшей популярностью среди других композитных материалов. Несмотря на то, что оно на 30 % легче алюминия и на 75 % легче железа, его прочность на разрыв в четыре раза превосходит наилучшие марки стали. Изготовленное на основе углерода, углеволокно имеет низкий удельный вес и при нагревании незначительно расширяется, при этом оно не подвержено воздействию агрессивных химических веществ. С учетом вышеперечисленных характеристик, углеволокно можно считать универсальным материалом, адаптированным для использования в различных климатических зонах.

Длительный эксплуатационный срок материала объясняется сочетанием следующих его преимуществ:

• Высокие гидроизоляционные характеристики, обусловленные глянцевой поверхностью углепластика, за счет которой материал не вступает в реакцию с водой;
• Высокая адгезия к различным поверхностям;
• Исключительная устойчивость к коррозионным процессам;
• Легкость – свойство, благодаря которому система армирования не создает дополнительных нагрузок на постройку. Несмотря на то, что углеволокно весит намного меньше, чем сталь, оно обладает высокими прочностными характеристиками;
• Используя углеволокно, вы получаете возможность наносить армирующий материал в несколько слоев;
• В процессе выполнения ремонтных работ можно не прекращать эксплуатацию усиливаемого здания;
• Применение углеволокна для армирования фундамента своими руками способствует сокращению  временных и трудовых затрат при проведении работ;
• Углеволокно по праву считается универсальным материалом, который можно использовать для армирования конструкций любой сложности и конфигурации, в том числе на закругленных и угловых поверхностях, на ребристых плитах перекрытий, балочных элементах рамных конструкций, а также тавровых балок мостовых пролетов, которые характеризуются малой  шириной ребра;
• Углеволокно – экологически чистый и токсически безопасный материал для армирования;
• Кроме того, данный  материал отличается огнеупорностью и ударопрочностью.

Каким требованиям должна отвечать эффективная технология армирования?

Для обеспечения эффективного усиления конструкции технология армирования должна гарантировать выполнение ряда условий:

• Естественная влажность конструкций не должна быть препятствием для монтажа армирующих элементов;
• Элементы армирования должны надежно приклеиваться к любым строительным материалам, благодаря чему будет осуществляться эффективная передача усилий с усиливаемой конструкции на армирующие элементы;
• Все материалы, используемые в процессе армирования, в том числе и монтажный клей, должны характеризоваться свойствами, стабильными во  времени, что позволит повысить эффективность армирования;
• В связи с тем, что армированию подлежат конструкции из различных материалов, модуль упругости и прочность армирующих элементов должны быть представлены достаточно широкой линейкой.

Всем требованиям, перечисленным выше, отвечают элементы внешнего армирования, представленные волокнами искусственного происхождения, в частности арамидными и углеродными, при этом последние, продемонстрировав наилучшее соотношение цена/качество, получили наибольшее распространение.

В каких ситуациях необходимо осуществление внешнего армирования?

На сегодняшний день углеволокно используется для армирования конструкций из различных материалов:

• Железобетонных построек — к ним относятся мосты, гидротехнические сооружения и памятники архитектуры, которые нуждаются в защите от коррозии, усилении сжатых элементов и их защите от перегрузок. С этой функцией в полной мере справляется углеволокно;
• Металлических конструкций, которые обладают близким к углеволокну модулем упругости и прочности;
• Каменных конструкций, в частности каменных столбов, стен кирпичных домов и пилонов.

Необходимость в усилении построек посредством внешнего армирования возникает в следующих ситуациях:

• В случае повреждения конструкции, ставшего причиной снижения ее несущей способности, жесткости и устойчивости к трещинам;
• Если произошло изменение условий эксплуатации постройки, которое выражается в изменении величины и характера нагрузок;
• В процессе проектирования и строительства конструкций с целью повышения их сейсмостойкости и увеличения межремонтных промежутков;
• В случае длительного воздействия на конструкцию механических факторов или агрессивных природных сред, приведшего к разрушению бетона или коррозии арматуры, возникает необходимость устранения неутешительных последствий и усиления конструкции.
• Проанализировав определенный набор технико-экономических показателей, можно прийти к выводу, что усиление углеволокном чаще всего уместно по отношению к железобетонным конструкциям, однако применимо и к металлическим, и бетонным, и даже деревянным зданиям и сооружениям.

Распространенные конструктивные решения для углеволокна

Если вы отдали предпочтение углеволокну и системам внешнего армирования с его использованием, помните, что проектируя системы усиления, необходимо руководствоваться Сводом правил СП 164.1325800.2014 «Усиление железобетонных конструкций композитными материалами. Правила проектирования».

Отказавшись от армирования перекрытий руками специалистов и производя их усиление самостоятельно, учтите, что оно осуществляется посредством наклеивания углеволокна в зонах наибольшей нагрузки – обычно они приходятся на центральную часть пролета и соприкасаются с нижней гранью конструкции. Благодаря этому приему значительно повышается несущая способность конструкции по изгибающим моментам. Чтобы решить эту задачу, специалисты рекомендуют использовать любой из доступных видов углеродных материалов – ламели, ленты или сетки.

Важно! В процессе усиления балок зачастую возникает необходимость в усилении приопорных зон, что позволит повысить несущую способность конструкции при воздействии поперечных сил.  С этой целью наклеивают U-образные хомуты, изготовленные из углеродных сеток или лент.

Важно! Что касается особенностей использования материалов из углеволокна, необходимо отметить, что, благодаря схожести способов монтажа и адгезивных составов, углеродные ленты и ламели, как правило, монтируются вместе, тогда как использование углеродных сеток, в силу монтажа материала «мокрым» способом, исключает применение лент и ламелей.

В рамках обсуждения технологии армирования бетона своими руками, отдельно необходимо поговорить об усилении колонн, которое осуществляется посредством их оклейки углеродными сетками или лентами, которые монтируются в поперечном направлении. Благодаря этому удается достигнуть эффекта «бондажирования», что позволяет предотвратить поперечные деформации бетона.

Армирование фундамента своими руками: пошаговая инструкция

Если вы ищите ответ на вопрос: «Как сделать армирование фундамента своими руками?», ознакомьтесь с нашими рекомендациями, представленными ниже, и вы узнаете, как произвести армирование плиты фундамента своими руками.

Подготовка поверхности: рекомендации специалистов

Прежде чем приступить к монтажу системы внешнего армирования с использованием углеволокна, необходимо произвести разметку конструкции, отчертив зоны, в которых будут располагаться элементы усиления. Произведя размеры, очистите поверхность от остатков отделочных материалов, цементного молочка с помощью углошлифовальной машинки с алмазной чашкой или водо-пескоструйной установки до тех пор, пока не обнажится крупный заполнитель бетона. Старайтесь производить эти манипуляции качественно, так как от характеристик подготовленного основания напрямую зависит эффективность системы усиления. В связи с этим, в процессе подготовки основания, обратите внимание на следующие параметры:

• Целостность и прочность материала, из которого изготовлена конструкция, подлежащая усилению;
• Ровность поверхности, на которую будет монтироваться углеволокно;
• Температура и влажность поверхности, на которую будет наклеиваться углеродный материал;
• Отсутствие пыли и других загрязнений;
• Кроме того, существует еще целый ряд контролируемых параметров, которые можно найти в технологических картах на выполнение того или иного вида работ.

Подготовка армирующих материалов

Углеволокно продается смотанным в рулоны, упакованные в полиэтиленовую пленку. В процессе подготовки рабочей поверхности важно следить за тем, чтобы на армирующий материал не попала пыль, в большом количестве образуемая в процессе шлифования бетона, так как это приведет к тому, что материал не пропитается связующим веществом и станет причиной производственного брака.

Чтобы предотвратить это, перед раскроем материала застелите рабочую поверхность полиэтиленом и только после этого осуществляйте замеры. Для обрезки углеродных сеток и лент можно использовать канцелярский нож или ножницы по металлу, ламелей – углошлифовальной машинкой, оснащенной отрезным кругом по металлу.

В качестве адгезивов рекомендуют использовать двухкомпонентные составы, в связи с чем, неотъемлемым этапом их подготовки будет смешивание двух компонентов в определенной пропорции. Чтобы случайно не нарушить их соотношение, в процессе их дозирования необходимо использовать мерную посуду или весы. Существует важное правило подготовки смеси – компоненты смешивают, постепенно добавляя друг к другу и перемешивая полученную массу дрелью, оснащенной специальной насадкой.

Важно! Ошибки, допущенные в процессе подготовки смеси, могут привести к закипанию адгезива.

Важно! На современном строительном рынке можно найти адгезивы, поставляемые в комплекте – т. е. в двух ведрах, в которых уже дозирован необходимый объем компонентов. Таким образом, работая с уже дозированными смесями, достаточно содержимое одного ведра смешать с содержимым другого (для удобства работы одно из ведер поставляется большего объема и остается полупустым).

Для углеродных сеток используют полимерцементный адгезив, который поставляется в мешках и перед работой разводятся водой в соответствии с инструкцией.

Как произвести монтаж углеволоконных материалов?

Технология монтажа армирующей системы существенно отличается в зависимости от типа используемого материала.

Монтаж углеродной ленты может осуществляться «сухим» или «мокрым» способом. И в том, и в другом случае на поверхность усиливаемого основания наносят слой адгезива, однако «мокрый» способ подразумевает пропитывание углеродной ленты адгезивом с последующим прикатыванием ее валиком к основанию, тогда как «сухой» способ предполагает крепление ленты к основанию и только после прикатывания валиком ее пропитывают адгезивной смесью. Таким образом, последовательность этапов монтажа меняется местами. Для осуществления пропитки углеродной ленты адгезивным составом на ее поверхность наносят слой адгезива и, прикатывая валиком, добиваются того, чтобы верхний слой связующего вещества попал вглубь углеволокна, а нижний – вышел наружу.

Углеродные ленты можно наклеивать в несколько слоев, однако при их наклеивании на поверхность потолка не рекомендуется наносить более двух слоев, что предотвратит «сползание» материала под тяжестью собственного веса.

Важно! Помните, что после того, как произойдет полимеризация адгезива, его поверхность станет идеально гладкой и ровной, что сделает его отделку практически невозможной. В связи с этим, не дожидаясь затвердевания связующего вещества, еще на «свежую» поверхность наносят слой крупного песка.

В процессе монтажа углеродных ламелей слой связующего вещества наносят не только на усиливаемую конструкцию, но и на монтируемый элемент армирования. В завершение работ ламель прикатывают валиком или шпателем.

Монтируя углеродную сетку, в процессе армирования ленточного фундамента своими руками ее крепят на увлажненную бетонную поверхность. После нанесения первого слоя полимерцементного адгезива ручным или механизированным способом, не дожидаясь его высыхания раскатывают углеродную сетку, слегка вдавливая ее в нанесенный состав. Для удобства работы специалисты рекомендуют использовать шпатель. Затем необходимо дождаться первичного схватывания состава, время наступления которого зависит от характеристик выбранного состава и температуры окружающей среды. Чтобы убедиться в том, что состав начинает затвердевать, надавите на его поверхность пальцем – он должен продавливаться с большими усилиями. После этого наносят заключительный слой полимерцемента.

Важно! Адгезивы на основе эпоксидных смол подвержены возгоранию и разрушению под действием ультрафиолетовых лучей, в связи с чем, их необходимо проверить на класс огнестойкости и защитить от ультрафиолета.

углеволокно — Викисловарь

Морфологические и синтаксические свойства[править]

падеж	ед. ч.	мн. ч.
Им.	углеволокно́	углеволо́кна
Р.	углеволокна́	углеволо́кон
Д.	углеволокну́	углеволо́кнам
В.	углеволокно́	углеволо́кна
Тв.	углеволокно́м	углеволо́кнами
Пр.	углеволокне́	углеволо́кнах

уг-ле-во-лок-но́

Существительное, неодушевлённое, средний род, 2-е склонение (тип склонения 1*d по классификации А. А. Зализняка).

Корень: —.

Произношение[править]

• МФА: [ˌuɡlʲɪvəɫɐˈkno]

Семантические свойства[править]

Значение[править]

1. материал, состоящий из тонких нитей диаметром от 5 до 15 микрон, образованных преимущественно атомами углерода ◆ Карданный вал и подрамник двигателя ― из углеволокна, а диски колёс ― магниевые. Карданный вал и подрамник двигателя ― из углеволокна, а диски колёс ― магниевые. Сергей Канунников, «Азы «Ибуки»», 2004 г. // «За рулём» (цитата из Национального корпуса русского языка, см. Список литературы)

Синонимы[править]

1. углеродное волокно

Антонимы[править]

Гиперонимы[править]

Гипонимы[править]

Родственные слова[править]

Этимология[править]

Происходит от ??

Фразеологизмы и устойчивые сочетания[править]

Перевод[править]

Список переводов

Библиография[править]

Что такое углеродное волокно? | DragonPlate

Углеродное волокно состоит из атомов углерода, связанных вместе в длинную цепочку. Волокна чрезвычайно жесткие, прочные и легкие и используются во многих процессах для создания превосходных строительных материалов. Углеродный волокнистый материал входит в состав множества «сырых» строительных блоков, включая пряжу, однонаправленную пряжу, переплетения, тесьму и некоторые другие, которые, в свою очередь, используются для создания композитных деталей из углеродного волокна.

Внутри каждой из этих категорий есть множество подкатегорий, требующих дальнейшего уточнения.Например, различные типы переплетения углеродного волокна приводят к различным свойствам композитной детали как при производстве, так и в конечном продукте. Чтобы создать композитную деталь, углеродные волокна, которые жесткие при растяжении и сжатии, нуждаются в стабильной матрице, чтобы оставаться в ней и сохранять свою форму. Эпоксидная смола — это превосходный пластик с хорошими характеристиками сжатия и сдвига, который часто используется для образования этой матрицы, при этом углеродные волокна обеспечивают армирование. Поскольку эпоксидная смола имеет низкую плотность, можно создать легкую, но очень прочную деталь.При изготовлении композитной детали можно использовать множество различных процессов, включая мокрую укладку, вакуумную упаковку, перенос смолы, согласованные инструменты, формование со вставкой, пултрузию и многие другие методы. Кроме того, выбор смолы позволяет адаптировать ее к конкретным свойствам.

Углеродные волокна, армирующие стабильную эпоксидную матрицу

Прочность, жесткость и сравнение с другими материалами

Углеродное волокно чрезвычайно прочно. В инженерии типично измерять преимущество материала с точки зрения отношения прочности к весу и отношения жесткости к весу, особенно при проектировании конструкций, где добавленный вес может привести к увеличению стоимости жизненного цикла или неудовлетворительной работе. Жесткость материала измеряется его модулем упругости. Модуль упругости углеродного волокна обычно составляет 33 мси (228 ГПа), а его предел прочности на разрыв обычно составляет 500 фунтов на квадратный дюйм (3,5 ГПа). Материалы из углеродного волокна с высокой жесткостью и прочностью также доступны благодаря специальным процессам термообработки с гораздо более высокими значениями. Сравните это с 2024-T3 Aluminium, который имеет модуль упругости всего 10 msi и предел прочности на разрыв 65 ksi, и 4130 Steel, который имеет модуль упругости 30 msi и предел прочности на растяжение 125 ksi.

Сталь будет постоянно деформироваться при уровне напряжения ниже ее предела прочности на разрыв. Уровень напряжения, при котором это происходит, называется пределом текучести. Углеродное волокно, с другой стороны, не будет постоянно деформироваться ниже своего предела прочности на разрыв, поэтому оно фактически не имеет предела текучести.

В качестве примера, ламинат, армированный углеродным волокном с полотняным переплетением, имеет модуль упругости приблизительно 6 м / кв. Дюйм и объемную плотность приблизительно 83 фунта / фут ³ . Таким образом, весовая жесткость этого материала составляет 107 футов.Для сравнения, плотность алюминия составляет 169 фунтов / фут ³ , что дает жесткость к весу 8,5 x 106 футов, а плотность стали 4130 составляет 489 фунтов / фут ³ , что дает жесткость к весу 8,8 x 106 футов. Следовательно, даже основная панель из углеродного волокна с полотняным переплетением имеет отношение жесткости к весу на 18% больше, чем у алюминия, и на 14% больше, чем у стали. Использование препрега и, в частности, высокомодульных и сверхвысокомодульных препрегов из углеродного волокна, дает значительно более высокое соотношение жесткости к массе.Например, панель, содержащая слой стандартного углеродного волокна препрега со стандартным модулем упругости 0/90, будет иметь модуль изгиба примерно 8 мсек, или примерно на 30% жестче, чем варианты без препрега. Для очень требовательных применений, где требуется максимальная жесткость, можно использовать сверхвысокомодульное углеродное волокно 110 м / кв. Это специализированное углеродное волокно на основе пека имеет жесткость на изгиб более чем в 3 раза по сравнению со стандартной панелью из препрега с модулем упругости (около 25 мсек). Если учесть возможность индивидуальной жесткости панели из углеродного волокна за счет стратегического размещения ламината, панель (или другое поперечное сечение, например труба) может быть изготовлена ​​с жесткостью на изгиб порядка 50 мси.

Испытания, проведенные Dragonplate, показали, что все образцы однонаправленных сверхвысокомодульных образцов с нулевой ориентацией имеют жесткость на растяжение, превышающую 75 мсю, или более чем в два раза жесткость стали, но все же только половину веса алюминия. Если использовать вышеупомянутое сравнение, то отношение жесткости к весу этого материала более чем в 10 раз выше, чем у стали или алюминия. Если учесть потенциально значительное увеличение как прочности к весу, так и отношения жесткости к весу, которое возможно, когда эти материалы сочетаются с легкими сотами и вспененными сердцевинами, очевидно ли, какое влияние усовершенствованные композиты из углеродного волокна могут оказывать в самых разных областях применения.

Что такое композитная многослойная структура?

Композитный сэндвич сочетает в себе превосходные характеристики прочности и жесткости углеродного волокна с материалом сердцевины меньшей плотности. В случае сэндвич-листов Dragonplate углеродное волокно создает тонкую пленку ламината на пенопласте, сотах, бальзе или фанере из березы. Стратегически комбинируя эти материалы, можно создать конечный продукт с гораздо более высоким соотношением жесткости к весу, чем с любым из них по отдельности. Для применений, где вес имеет решающее значение, сэндвич-листы из углеродного волокна могут подойти.

Композитная многослойная конструкция механически эквивалентна конструкции из однородной двутавровой балки при изгибе.

Рис. 1: Схема, показывающая многослойную конструкцию из углеродного волокна и эквивалентную двутавровую балку

На изображении многослойной конструкции в центре балки (при допущении симметрии) расположена нейтральная ось, на которой действует внутреннее осевое напряжение. равно нулю. Двигаясь снизу вверх на диаграмме, внутренние напряжения переключаются с сжатия на растяжение.Жесткость на изгиб пропорциональна моменту инерции поперечного сечения, а также модулю упругости материала. Таким образом, для максимальной жесткости на изгиб следует размещать чрезвычайно жесткий материал как можно дальше от нейтральной оси. Путем размещения углеродного волокна как можно дальше от нейтральной оси и заполнения оставшегося объема материалом более низкой плотности в результате получается композитный многослойный материал с высоким отношением жесткости к массе.

Рис. 2: Сравнение распределения внутренних напряжений для сплошного ламината и многослойной конструкции при изгибе.

Анализ FEA для сравнения многослойного ламината с твердым углеродным волокном показан ниже. Эти расчеты показывают прогиб консольной балки с нагрузкой на конец. На рисунке показан слой сердцевины из березовой фанеры толщиной 3/16 дюйма рядом со слоем твердого углеродного волокна равного веса. Из-за уменьшенной толщины твердой углеродной балки он отклоняется значительно больше, чем эквивалентная балка, изготовленная из материала сердцевины. По мере увеличения толщины это несоответствие становится еще больше из-за значительной экономии веса сердечника.Аналогичным образом, можно заменить твердую углеродную структуру на более легкую, эквивалентную прочности и жесткости, сделанную из любого из ранее упомянутых вариантов сердечника.

Рис. 3: Сравнение анализа методом конечных элементов между многослойным слоистым материалом Dragonplate и твердым углеродным волокном

При использовании различных сердцевин каждый имеет свои сильные и слабые стороны. Обычно движущими факторами являются прочность сердечника на сжатие и сдвиг. Например, если требуется высокая прочность на сжатие (и, следовательно, высокое сопротивление раздавливанию), то сердцевина, скорее всего, должна быть более высокой плотности (здесь хорошими вариантами являются пенопласт высокой плотности или березовая фанера). Если, однако, нужен композит с абсолютно наименьшим возможным весом, а напряжения относительно малы (т. Е. Низкая нагрузка, высокая жесткость), то лучшим выбором может быть чрезвычайно легкий пенопласт или сотовый заполнитель. Некоторые сердечники обладают лучшей влагостойкостью (пенопласт с закрытыми порами), некоторые — лучшей обрабатываемостью (фанера), а другие — высоким отношением прочности на сжатие к весу (бальза). Задача инженера — понять компромиссы в процессе проектирования, чтобы максимально использовать потенциал композитных материалов с сердечником.Тем не менее, для применений с критическим весом часто нет другого варианта, который хотя бы приблизился к потенциальной прочности и соотношению жесткости к весу ламинатов сэндвич-сердцевины из углеродного волокна.

Углеродное волокно Твердое ЛУЧШЕ82 ЛУЧШЕ80 ЛУЧШЕ ЛУЧШЕ

	КРИТЕРИИ СРАВНЕНИЯ
ПРОДУКТЫ	Жесткость к массе	Прочность	Измельчение	Устойчивость к влаге	Звукоизоляция
ЛУЧШЕ	ЛУЧШЕ	СЛАБЫЕ
Твердое углеродное волокно с высоким модулем упругости	ЛУЧШЕ	ХОРОШО	ЛУЧШЕ	ЛУЧШЕ	СЛОЖНО
Березовое ядро ​​	ЛУЧШЕ	ЛУЧШЕ	ХОРОШО	ПЛОХО
Бальзовое ядро ​​	ЛУЧШЕ	ХОРОШО	ЛУЧШЕ	ПЛОХО	ХОРОШО
Nomex Honeycomb Core	НАИЛУЧШЕ	ХОРОШО	ЛУЧШЕ
Depron Foam Core	ЛУЧШЕ	Плохо	Плохо	ЛУЧШЕ	ЛУЧШЕ
Airex Foam Core	BEST	GOOD	ХОРОШО	ЛУЧШЕ	ЛУЧШЕ
Divine Core	ЛУЧШЕ	ЛУЧШЕ	ЛУЧШЕ	ХОРОШО
Last-A-Foam Core	ЛУЧШЕ	ЛУЧШЕ	ЛУЧШЕ	ЛУЧШЕ	ЛУЧШЕ

Карбоновое волокно

Плюсы и минусы Армированные композиты обладают несколькими очень желательными характеристиками, которые можно использовать при разработке современных материалов и систем. Два наиболее распространенных применения углеродного волокна — это приложения, в которых желательны высокая прочность по отношению к весу и высокая жесткость по отношению к весу. К ним относятся аэрокосмическая промышленность, военные структуры, робототехника, ветряные турбины, производственное оборудование, спортивное оборудование и многие другие. Высокая прочность может быть достигнута в сочетании с другими материалами. В некоторых областях применения также используется электрическая проводимость углеродного волокна, а также высокая теплопроводность в случае специального углеродного волокна. Наконец, в дополнение к основным механическим свойствам, углеродное волокно создает уникальную и красивую поверхность.

Хотя углеродное волокно имеет много существенных преимуществ по сравнению с другими материалами, есть и компромиссы, с которыми нужно бороться. Во-первых, твердое углеродное волокно не поддается. Под нагрузкой углеродное волокно изгибается, но не остается деформированным. Вместо этого, как только предел прочности материала будет превышен, углеродное волокно выйдет из строя внезапно и катастрофически. В процессе проектирования очень важно, чтобы инженер понимал и учитывал это поведение, особенно с точки зрения расчетных факторов безопасности.Композиты из углеродного волокна также значительно дороже традиционных материалов. Работа с углеродным волокном требует высокого уровня навыков и множества сложных процессов для производства высококачественных строительных материалов (например, твердых углеродных листов, многослойных слоистых материалов из углеродного волокна, углеродных труб и т. Д.). Для создания оптимизированных деталей и сборок по индивидуальному заказу требуется очень высокий уровень квалификации и специализированные инструменты и оборудование.

Углеродное волокно и металлы

При проектировании композитных деталей нельзя просто сравнивать свойства углеродного волокна и стали, алюминия или пластика, поскольку эти материалы в целом однородны (свойства одинаковы во всех точках детали), и имеют изотропные свойства на всем протяжении (свойства одинаковы по всем осям). Для сравнения, в части из углеродного волокна прочность находится вдоль оси волокон, и, таким образом, свойства и ориентация волокна сильно влияют на механические свойства. Детали из углеродного волокна в целом не являются ни однородными, ни изотропными.

Детали из углеродного волокна по своим свойствам близки к свойствам стали, а вес — к пластиковым. Таким образом, отношение прочности к весу (а также отношение жесткости к весу) детали из углеродного волокна намного выше, чем у стали или пластика.Конкретные детали зависят от конструкции детали и области применения. Например, сэндвич с пенопластом имеет чрезвычайно высокое отношение прочности к весу при изгибе, но не обязательно при сжатии или раздавливании. Кроме того, нагрузки и граничные условия для любых компонентов уникальны для конструкции, в которой они находятся. Таким образом, мы не можем обеспечить толщину пластины из углеродного волокна, которая могла бы заменить стальную пластину в вашем приложении. Заказчик несет ответственность за определение безопасности и пригодности любого продукта Dragonplate для конкретной цели. Это достигается посредством инженерного анализа и экспериментальной проверки.

9 главных фактов о углеродном волокне, которых вы не знали

Эта статья является частью серии Energy.gov, посвященной теме «Основные вещи, о которых вы не знали…». Не забудьте проверить больше записей скоро.

9. Углеродное волокно — иногда называемое графитовым волокном — это прочный, жесткий и легкий материал, который может заменить сталь и широко используется в специализированных высокопроизводительных изделиях, таких как самолеты, гоночные автомобили и спортивное оборудование.

8. Углеродное волокно было впервые изобретено недалеко от Кливленда, штат Огайо, в 1958 году. И только в 1963 году в британском исследовательском центре был разработан новый производственный процесс, что позволило реализовать прочный потенциал углеродного волокна.

7. Современные методы производства углеродного волокна, как правило, медленные и энергоемкие, что делает его дорогостоящим для использования в массовом производстве. С целью снижения затрат на производство углеродного волокна на 50 процентов новое предприятие Министерства энергетики по технологии углеродного волокна в Национальной лаборатории Ок-Ридж работает с производителями и исследователями над разработкой более эффективных и дешевых процессов производства углеродных волокон.Снижение стоимости углеродных волокон делает их жизнеспособным решением для транспортных средств и широкого спектра приложений чистой энергии.

6. Завод площадью 42 000 квадратных футов оснащен технологической линией длиной 390 футов, которая способна производить до 25 тонн углеродного волокна в год — этого достаточно для покрытия длины почти 138 889 футбольных полей.

5. Наиболее распространенным прекурсором углеродного волокна — сырьем для производства углеродных волокон — является полиакрилонитрил (или PAN), на который приходится более 90 процентов всего производства углеродного волокна.Другие варианты прекурсоров включают обычный пластик и побочный продукт из дерева.

4. В рамках обычного производства углеродного волокна прекурсоры проходят несколько процессов, которые включают растяжение, окисление (для повышения температуры плавления) и карбонизацию в высокотемпературных печах, при которых испаряется около 50 процентов материала, что делает его почти на 100 процентов углеродом. .

3. Углеродное волокно может быть вплетено в ткань, подходящую для использования в оборонных целях, или добавлено в смолу и формовано в предварительно отформованные детали, такие как компоненты транспортных средств или лопасти ветряных турбин.

2. Новое поколение композитов из углеродного волокна может снизить вес легкового автомобиля на 50 процентов и повысить топливную экономичность примерно на 35 процентов без ущерба для производительности или безопасности — прогресс, который позволит сэкономить более 5000 долларов на топливе в течение срока службы автомобиля. при сегодняшних ценах на бензин.

1. Помимо использования в производстве легковых и грузовых автомобилей, достижения в области углеродного волокна помогут американским производителям снизить стоимость и улучшить характеристики лопастей и опор ветряных турбин, электроники, компонентов накопителей энергии и линий электропередачи.

Углеродные волокна: производство, свойства и возможности использования

Пуджа Бхатт и Алка Го

Старший научный сотрудник, профессор и руководитель отдела одежды и текстиля, G.B.P.U.A and T, Пантнагар

Автор, ответственный за переписку Электронная почта: [email protected]

DOI: http://dx.doi.org/10.13005/msri/140109

История публикации статьи
Статья получена: 30 мая 2017 г.
Статья принята: 5 июня 2017 г.
Статья опубликована: 9 июня 2017 г.
Проверка на плагиат: Да

АННОТАЦИЯ:

Углеродное волокно состоит из атомов углерода, связанных вместе в длинную цепочку.Волокна чрезвычайно жесткие, прочные и легкие и используются во многих процессах для создания превосходных строительных материалов. Углеродное волокно входит в состав множества «сырых» строительных блоков, включая пряжу, однонаправленную, переплетенную, тесьму и некоторые другие, которые, в свою очередь, используются для создания композитных деталей. Детали из углеродного волокна по своим свойствам близки к стальным, а по весу — к пластиковым. Таким образом, отношение прочности к весу (а также отношение жесткости к весу) детали из углеродного волокна намного выше, чем у стали или пластика.Углеродное волокно чрезвычайно прочное. В инженерии типично измерять преимущество материала с точки зрения отношения прочности к весу и отношения жесткости к весу, особенно при проектировании конструкций, где добавленный вес может привести к увеличению стоимости жизненного цикла или неудовлетворительной работе.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: Углеродное волокно; Ткань; Текстиль; Пряжа

Скопируйте следующее, чтобы процитировать эту статью: Bhatt P, Goe A. Углеродные волокна: производство, свойства и потенциальное использование.Математические науки и ресурсы Индии; 14 (1)

Введение

Углеродные волокна или углеродные волокна — это волокна диаметром около 5–10 микрометров, состоящие в основном из атомов углерода. Углеродные волокна обладают рядом преимуществ, включая высокую жесткость, высокую прочность на разрыв, малый вес, высокую химическую стойкость, устойчивость к высоким температурам и низкое тепловое расширение. Эти свойства сделали углеродное волокно очень популярным в аэрокосмической промышленности, гражданском строительстве, военном деле и автоспорте, а также в других соревновательных видах спорта.Однако они относительно дороги по сравнению с аналогичными волокнами, такими как стекловолокно или пластиковые волокна.

Классификация и виды

Углеродные волокна по модулю упругости, прочности и конечной температуре термообработки можно разделить на следующие категории:

В зависимости от свойств углеродного волокна углеродные волокна можно сгруппировать в:

• Сверхвысокий модуль, тип UHM (модуль> 450 ГПа)
• высокомодульный, тип HM (модуль упругости 350-450 ГПа)
• Промежуточный модуль, тип IM (модуль упругости от 200 до 350 ГПа)
• Низкомодульный и высокопрочный, тип HT (модуль <100 ГПа, предел прочности> 3. 0 ГПа)
• Сверхвысокопрочный, тип SHT (предел прочности на разрыв> 4,5 ГПа)

Углеродные волокна на основе материалов-предшественников подразделяются на:

• Углеродные волокна на основе ПАН
• Углеродные волокна на основе пека
• Углеродные волокна на основе мезофазного пека
• Углеродные волокна на основе изотропного пека
• Углеродные волокна на основе вискозы
• Углеродные волокна, выращенные в газовой фазе

Углеродные волокна по температуре окончательной термообработки подразделяются на:

• Углеродные волокна с высокой термической обработкой (HTT), тип I, где конечная температура термообработки должна быть выше 2000 ° C, и могут быть связаны с волокном высокомодульного типа.
• Углеродные волокна с промежуточной термообработкой (IHT) типа II, где конечная температура термообработки должна быть около или выше 1500 ° C и может быть связана с волокном высокопрочного типа.
• Углеродные волокна типа III с низкой термической обработкой, температура окончательной термообработки которых не превышает 1000 ° C. Это низкомодульные и малопрочные материалы.

Производственный процесс

Углеродные волокна из полиакрилонитрила (ПАН):

Сырье

Сырье, используемое для производства углеродного волокна, называется прекурсором.Около 90% производимых углеродных волокон состоит из полиакрилонитрила. Остальные 10% сделаны из искусственного шелка или нефтяного пека. Все эти материалы представляют собой органические полимеры, характеризующиеся длинными цепочками молекул, связанных вместе атомами углерода. Точный состав каждого прекурсора варьируется от одной компании к другой и обычно считается коммерческой тайной. В процессе производства используются различные газы и жидкости. Некоторые из этих материалов предназначены для взаимодействия с волокном для достижения определенного эффекта.Другие материалы разработаны, чтобы не вступать в реакцию или предотвращать определенные реакции с волокном. Как и в случае с прекурсорами, точный состав многих из этих технологических материалов считается коммерческой тайной.

Производственный процесс PAN

Рисунок 1

Прядильная

• Порошок акрилонитрильного пластика смешивают с другим пластиком, таким как метилакрилат или метилметакрилат, и подвергают взаимодействию с катализатором в обычном процессе суспензионной или растворной полимеризации с образованием полиакрилонитрильного пластика.
• Затем пластик превращается в волокна одним из нескольких различных методов. В некоторых методах пластик смешивают с определенными химическими веществами и перекачивают через крошечные форсунки в химическую ванну или камеру закалки, где пластик коагулирует и затвердевает в волокна. Это похоже на процесс, используемый для формирования полиакриловых текстильных волокон. В других методах пластиковая смесь нагревается и перекачивается через крошечные форсунки в камеру, где растворители испаряются, оставляя твердое волокно. Этап прядения важен, потому что во время этого процесса формируется внутренняя атомная структура волокна.
• Затем волокна промывают и растягивают до желаемого диаметра. Растяжение помогает выровнять молекулы внутри волокна и обеспечивает основу для образования прочно связанных кристаллов углерода после карбонизации.

Стабилизатор

Перед карбонизацией волокон их необходимо химически изменить, чтобы преобразовать их линейную атомную связь в более термически стабильную лестничную связь. Это достигается путем нагревания волокон на воздухе примерно до 390-590 ° F (200-300 ° C) в течение 30-120 минут.Это заставляет волокна улавливать молекулы кислорода из воздуха и изменять структуру их атомных связей. Стабилизирующие химические реакции сложны и включают несколько этапов, некоторые из которых происходят одновременно. Они также выделяют собственное тепло, которое необходимо контролировать, чтобы избежать перегрева волокон. В коммерческих целях для процесса стабилизации используется различное оборудование и методы. В некоторых процессах волокна протягиваются через ряд нагретых камер. В других случаях волокна проходят через горячие валки и через слои сыпучих материалов, удерживаемых во взвешенном состоянии потоком горячего воздуха.В некоторых процессах используется нагретый воздух, смешанный с определенными газами, которые химически ускоряют стабилизацию.

Карбонизация

После того, как волокна стабилизируются, их нагревают до температуры примерно 1,830-5,500 ° F (1,000-3,000 ° C) в течение нескольких минут в печи, заполненной газовой смесью, не содержащей кислорода. Недостаток кислорода предотвращает горение волокон при очень высоких температурах. Давление газа внутри печи поддерживается выше, чем давление наружного воздуха, а точки входа и выхода волокон из печи герметизированы, чтобы не допустить попадания кислорода.Когда волокна нагреваются, они начинают терять свои неуглеродные атомы, а также несколько атомов углерода в виде различных газов, включая водяной пар, аммиак, монооксид углерода, диоксид углерода, водород, азот и другие. Когда неуглеродные атомы вытесняются, оставшиеся атомы углерода образуют прочно связанные углеродные кристаллы, которые ориентированы более или менее параллельно длинной оси волокна. В некоторых процессах используются две печи, работающие при двух разных температурах, чтобы лучше контролировать скорость разогрева во время карбонизации.

Рисунок 2

Обработка поверхности

После карбонизации волокна имеют поверхность, которая плохо сцепляется с эпоксидными смолами и другими материалами, используемыми в композитных материалах. Чтобы волокна лучше склеивали, их поверхность слегка окисляется. Добавление атомов кислорода к поверхности обеспечивает лучшие химические свойства связывания, а также травит и делает поверхность шероховатой для улучшения механических свойств связывания.Окисление может быть достигнуто путем погружения волокон в различные газы, такие как воздух, диоксид углерода или озон; или в различных жидкостях, таких как гипохлорит натрия или азотная кислота. На волокна также можно нанести электролитическое покрытие, сделав волокна положительным выводом в ванне, заполненной различными электропроводящими материалами. Процесс обработки поверхности необходимо тщательно контролировать, чтобы избежать образования крошечных поверхностных дефектов, таких как ямки, которые могут вызвать разрушение волокна.

Калибровка

• После обработки поверхности волокна покрываются покрытием для защиты их от повреждений при намотке или плетении.Этот процесс называется калибровкой. Материалы покрытия выбираются таким образом, чтобы они были совместимы с клеем, используемым для формирования композитных материалов. Типичные материалы покрытия включают эпоксидную смолу, полиэстер, нейлон, уретан и другие.
• 8 Волокна с покрытием наматываются на цилиндры, называемые бобинами. Бобины загружаются в прядильную машину, и волокна скручиваются в пряжу разных размеров.

Недвижимость

Углеродное волокно имеет высокое отношение прочности к массе (также известное как удельная прочность)

Прочность материала — это сила, приходящаяся на единицу площади при разрушении, деленная на его плотность. Любой прочный И легкий материал имеет подходящее соотношение прочности и веса. Такие материалы, как алюминий, титан, магний, углерод и стекловолокно, высокопрочные стальные сплавы, имеют хорошее соотношение прочности к весу.

Углеродное волокно очень жесткое

Жесткость или жесткость материала измеряется модулем Юнга и измеряет, насколько материал прогибается под действием напряжения. Пластик, армированный углеродным волокном, более чем в 4 раза жестче, чем пластик, армированный стекловолокном, почти в 20 раз больше, чем сосна, 2.В 5 раз больше алюминия.

Углеродное волокно устойчиво к коррозии и химически устойчиво

Хотя углеродное волокно само по себе не портится, эпоксидная смола чувствительна к солнечному свету и требует защиты. Другие матрицы (независимо от того, в какое углеродное волокно встроено) также могут быть реактивными.

Углеродное волокно электропроводное

Эта функция может быть полезной и мешать. При строительстве лодок это необходимо учитывать, так же как и проводимость алюминия.Электропроводность углеродного волокна может способствовать гальванической коррозии арматуры. Тщательная установка может уменьшить эту проблему.

Усталостное сопротивление хорошее

Устойчивость к усталости композитов из углеродного волокна — хорошая. Однако, когда углеродное волокно выходит из строя, оно обычно катастрофически выходит из строя, что не говорит о его неизбежном разрыве. Повреждение в результате усталости при растяжении рассматривается как уменьшение жесткости при увеличении числа циклов напряжения (если температура не высокая). Испытания показали, что разрушение вряд ли будет проблемой, если циклические напряжения совпадают с ориентацией волокна.Углеродное волокно превосходит стекло E по усталостной и статической прочности, а также по жесткости.

Углеродное волокно имеет хорошую прочность на разрыв

Предел прочности или предела прочности — это максимальное напряжение, которое может выдержать материал при растяжении или растяжении до образования шейки или разрушения. Сужение — это когда поперечное сечение образца начинает значительно сокращаться. Если вы возьмете полоску полиэтиленового пакета, она растянется и в какой-то момент начнет сужаться. Это шею.Он измеряется в силе на единицу площади. Хрупкие материалы, такие как углеродное волокно, не всегда выходят из строя при одном и том же уровне напряжения из-за внутренних дефектов. Они терпят неудачу при малых деформациях.

Испытание включает взятие образца с фиксированной площадью поперечного сечения, а затем его вытягивание, постепенно увеличивая силу, пока образец не изменит форму или не сломается. Волокна, такие как углеродные волокна, имеющие диаметр всего 2/10 000-х дюйма, превращаются в композиты соответствующей формы для испытаний.

Огнестойкость / невоспламеняющийся

В зависимости от производственного процесса и материала-прекурсора углеродное волокно может быть довольно мягким и его можно использовать в качестве защитной одежды для пожарных или, что более часто, интегрировать в нее.Примером может служить волокно с никелевым покрытием. Поскольку углеродное волокно также химически очень инертно, его можно использовать там, где есть огонь в сочетании с коррозионными агентами. Carbon Fiber Fire Blanket извините за опечатки.

Теплопроводность углеродного волокна

Теплопроводность — это количество тепла, передаваемого через единицу толщины в направлении, нормальном к поверхности единицы площади, из-за единичного температурного градиента в устойчивых условиях. Другими словами, это показатель того, насколько легко тепло проходит через материал.

Поскольку углеродное волокно имеет множество вариаций, невозможно точно определить теплопроводность. Специальные типы углеродного волокна были специально разработаны для обеспечения высокой или низкой теплопроводности. Также предпринимаются попытки улучшить эту функцию.

Низкий коэффициент теплового расширения

Это мера того, насколько материал расширяется и сжимается при повышении или понижении температуры. Единицы измерения указаны в дюймах / дюймах градусах F, как и в других таблицах, единицы не так важны, как сравнение.При достаточно высокой мачте разница в коэффициентах теплового расширения различных материалов может немного изменить натяжение буровой установки. Низкий коэффициент теплового расширения делает углеродное волокно подходящим для применений, где малые движения могут быть критичными. Одно из таких приложений — телескоп и другое оптическое оборудование.

Неядовит, биологически инертен, проницаем для рентгеновских лучей

Эти качества делают углеродное волокно полезным в медицине. Использование протезов, имплантатов и восстановления сухожилий, рентгеновские аксессуары, хирургические инструменты — все это находится в стадии разработки.Углеродные волокна, хотя и не ядовиты, могут вызывать сильное раздражение, поэтому необходимо ограничить длительное незащищенное воздействие. Однако эпоксидная или полиэфирная матрица может быть токсичной, поэтому необходимо соблюдать осторожность.

Углеродное волокно относительно дорого

Хотя он предлагает исключительные преимущества прочности, жесткости и снижения веса, его стоимость является сдерживающим фактором. Если преимущество в весе не является исключительно важным, например, в аэронавтике или гонках, оно часто не стоит дополнительных затрат.Дополнительным преимуществом является низкая потребность в обслуживании углеродного волокна.

Трудно количественно охарактеризовать круто и модно. Углеродное волокно имеет ауру и репутацию, которые побуждают потребителей платить больше за то, чтобы иметь его. Возможно, вам потребуется меньше его по сравнению со стекловолокном, и это может быть экономией.

Углеродные волокна хрупкие

Слои волокон образованы прочными ковалентными связями. Листовые агрегаты легко допускают распространение трещин.Когда волокна изгибаются, они выходят из строя при очень низкой деформации.

Приложения

Характеристики и применение углеродных волокон

1. Физическая прочность, удельная вязкость, легкий вес	Авиакосмическая промышленность, автомобильный и морской транспорт, спортивные товары
2. Высокая стабильность размеров, низкий коэффициент теплового расширения и низкое истирание	Ракеты, авиационные тормоза, аэрокосмическая антенна и опорная конструкция, большие телескопы, оптические стенды, волноводы для стабильных высокочастотных (ГГц) прецизионных измерительных рам
3.Хорошее гашение вибрации, прочность и ударная вязкость	Аудиотехника, громкоговорители для Hi-Fi оборудования, звукосниматели, манипуляторы
4. Электропроводность	Автомобильные капоты, новая оснастка, корпуса и основания для электронного оборудования, защита от электромагнитных и радиочастотных помех, щетки
5. Биологическая инертность и рентгеновская проницаемость	Применение в медицине в протезах, хирургическом и рентгеновском оборудовании, имплантатах, восстановлении сухожилий / связок
6.Усталостная прочность, самосмазка, высокое демпфирование	Текстильное оборудование общего назначения
7. Химическая инертность, высокая коррозионная стойкость	Химическая промышленность; ядерное поле; клапаны, уплотнения и компоненты насосов на технологических установках
8. Электромагнитные свойства	Большие стопорные кольца генератора, радиологическое оборудование

Заключение

Последняя разработка в технологии углеродного волокна — это крошечные углеродные трубки, называемые нанотрубками.Эти полые трубки, некоторые из которых имеют диаметр всего 0,00004 дюйма (0,001 мм), обладают уникальными механическими и электрическими свойствами, которые могут быть полезны при создании новых высокопрочных волокон, субмикроскопических пробирок или, возможно, новых полупроводниковых материалов для интегральных схем.

Список литературы

1. Франк Э., Херманутц Ф. и Бухмайзер М. Р. Углеродные волокна: прекурсоры, производство и свойства. Макромол. Mater. Eng . 2012; 297: 493–501.
   CrossRef
2. Шаваллер Д., Клаус Б. и Бухмайзер М. Р. Керамические филаментные волокна — Обзор . Макромол . Mater. Eng . 2012: 297: 502–522.
   CrossRef
3. Хо К., Цянь К. К. и Бисмарк Х. А. Углеродное волокно: свойства поверхности. Энциклопедия композитов Wiley . 2011; 1–11.
4. Хуанг X. Изготовление и свойства углеродных волокон. Материалы. 2009; 2 : 2369-2403.
   CrossRef
5. Баджадж П., Паливал Д. К., Гупта А. К. Влияние ионов металлов на структуру и свойства акриловых волокон. J. Appl. Polym. Sci. 1998; 67: 1647–1659.
   CrossRef
6. Гудхью П. Дж., Кларк А. Дж., Бейли Дж. Э. Обзор производства и свойств углеродных волокон. Mater. Sci. Англ. 1975; 17: 3–30.
   CrossRef

---

Эта работа находится под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Что такое углеродное волокно? | Элемент 6 Композиты

Внутри каждой из этих категорий есть множество подкатегорий для дальнейшего уточнения.Например, различные типы переплетения углеродного волокна приводят к различным свойствам композитной детали как при производстве, так и в конечном продукте. Чтобы создать композитную деталь, углеродные волокна, которые жесткие при растяжении и сжатии, нуждаются в стабильной матрице, чтобы оставаться в ней и сохранять свою форму. Эпоксидная смола — это превосходный пластик с хорошими характеристиками сжатия и сдвига, который часто используется для образования этой матрицы, при этом углеродные волокна обеспечивают армирование. Поскольку эпоксидная смола имеет низкую плотность, можно создать легкую, но очень прочную деталь.При изготовлении композитной детали можно использовать множество различных процессов, включая мокрую укладку, вакуумную упаковку, перенос смолы, согласованные инструменты, формование со вставкой, пултрузию и многие другие методы. Кроме того, выбор смолы позволяет адаптировать ее к конкретным свойствам. Несколько примеров выбора эпоксидной смолы могут включать более длительное или более короткое время отверждения, сверхъестественную стойкость, высокотемпературные составы, огнестойкость и повышенную вязкость разрушения с использованием добавок.

Прочность, жесткость и сравнение с другими материалами

Углеродное волокно чрезвычайно прочное.В инженерии типично измерять преимущество материала с точки зрения отношения прочности к весу и отношения жесткости к весу, особенно при проектировании конструкций, где добавленный вес может привести к увеличению стоимости жизненного цикла или неудовлетворительной работе. Жесткость материала измеряется его модулем упругости. Модуль упругости углеродного волокна обычно составляет 20 м / кв. Дюйм (138 ГПа), а его предел прочности на разрыв обычно составляет 500 тыс. Фунтов / кв. Дюйм (3,5 ГПа). Материалы из углеродного волокна с высокой жесткостью и прочностью также доступны благодаря специальным процессам термообработки с гораздо более высокими значениями.Сравните это с 2024-T3 Aluminium, который имеет модуль упругости всего 10 msi и предел прочности на разрыв 65 ksi, и 4130 Steel, который имеет модуль упругости 30 msi и предел прочности на растяжение 125 ksi.

В качестве примера, ламинат, армированный углеродным волокном с полотняным переплетением, имеет модуль упругости приблизительно 6 мси и объемную плотность приблизительно 83 фунта / фут. ³ . Таким образом, отношение жесткости к весу этого материала составляет 107 футов. Для сравнения, плотность алюминия составляет 169 фунтов / фут ³ , что дает жесткость к весу 8.5 x 106 футов, а плотность стали 4130 составляет 489 фунтов / фут ³ , что дает жесткость к весу 8,8 x 106 футов. Следовательно, даже базовая панель из углеродного волокна с полотняным переплетением имеет отношение жесткости к весу 18%. больше алюминия и на 14% больше стали. Если рассматривать возможность индивидуальной жесткости панели из углеродного волокна за счет стратегического размещения ламината, а также потенциально значительное увеличение прочности и жесткости, которое возможно с помощью легких материалов сердцевины, очевидно ли, какое влияние современные композиты из углеродного волокна могут оказать на широкий спектр Приложения.Одним из примеров этого является конструкция балок с заданной жесткостью по ортогональным осям. Компания Element 6 Composites разработала запатентованные методы изготовления труб из углеродного волокна, обеспечивающие оптимальную жесткость вдоль каждой оси изгиба с разницей в жесткости на порядок. Такие трубы похожи на двутавровые балки по своей устойчивости к изгибу, но сохраняют высокую жесткость на кручение, присущую трубе, а также простоту сборки.

Композиты, армированные углеродным волокном, обладают несколькими очень желательными характеристиками, которые можно использовать при разработке современных материалов и систем.Два наиболее распространенных применения углеродного волокна — это приложения, в которых желательны высокая прочность по отношению к весу и высокая жесткость по отношению к весу. К ним относятся аэрокосмическая промышленность, военные структуры, робототехника, ветряные турбины, производственное оборудование, спортивное оборудование и многие другие. Высокая прочность может быть достигнута в сочетании с другими материалами. В некоторых приложениях также используется электрическая проводимость углеродного волокна, а также высокая теплопроводность в случае специального углеродного волокна. Наконец, в дополнение к основным механическим свойствам, углеродное волокно создает уникальную и красивую поверхность.

Хотя углеродное волокно имеет много существенных преимуществ по сравнению с другими материалами, есть и компромиссы, с которыми нужно бороться. Во-первых, твердое углеродное волокно не будет подвергаться пластической деформации (т.е. податливости). Под нагрузкой углеродное волокно изгибается, но не остается в деформированном состоянии после снятия нагрузки. Вместо этого, как только предел прочности материала будет превышен, углеродное волокно выйдет из строя внезапно и катастрофически. В процессе проектирования очень важно, чтобы инженер понимал и учитывал это поведение, особенно с точки зрения расчетных факторов безопасности.Примером этого является конструкция деталей с участками локализованной концентрации напряжений (отверстия, острые углы и т. Д.). Важно учитывать направление волокна около отверстия для правильного распределения напряжений, потому что, в отличие от металлов, где локализованная текучесть около отверстия вызывает перераспределение напряжений, углеродное волокно почти всегда локально разрушается, образуя трещину. В таком случае деталь из углеродного волокна может иметь более высокую жесткость и даже более высокую прочность, чем сопоставимая металлическая деталь; однако наличие концентраций напряжений должно быть в центре внимания инженерного проектирования, иначе хорошо спроектированная деталь может выйти из строя преждевременно.

Композиты из углеродного волокна также значительно дороже традиционных материалов. Работа с углеродным волокном требует высокого уровня навыков и множества сложных процессов для производства высококачественных строительных материалов (например, твердых углеродных листов, многослойных ламинатов, труб и т. Д.). Для создания оптимизированных деталей и сборок по индивидуальному заказу требуется очень высокий уровень квалификации и специализированные инструменты и оборудование.

При проектировании композитных деталей нельзя просто сравнивать свойства углеродного волокна и стали, алюминия или пластика, поскольку эти материалы в целом однородны (свойства одинаковы во всех точках детали) и имеют изотропные свойства во всем (свойства равны то же по всем осям).Для сравнения, в части из углеродного волокна прочность находится вдоль оси волокон, и, таким образом, свойства и ориентация волокна сильно влияют на механические свойства. Детали из углеродного волокна в целом не являются ни однородными, ни изотропными.

Отношение прочности к весу (а также отношение жесткости к весу) детали из углеродного волокна намного выше, чем у стали или неармированного пластика. Конкретные детали зависят от конструкции детали и области применения. Например, сэндвич с пенопластом имеет чрезвычайно высокое отношение прочности к весу при изгибе, но не обязательно при сжатии или раздавливании.Кроме того, нагрузки и граничные условия для любых компонентов уникальны для конструкции, в которой они находятся. Таким образом, невозможно обеспечить толщину плиты из углеродного волокна, которая могла бы напрямую заменить стальную плиту в данном применении, без тщательного рассмотрения всех конструктивных факторов. Это достигается посредством инженерного анализа и экспериментальной проверки.

Все об углеродном волокне и его производстве

Углеродное волокно, также называемое графитовым волокном или углеродным графитом, состоит из очень тонких нитей углеродного элемента.Эти волокна обладают высокой прочностью на разрыв и чрезвычайно прочны для своего размера. Фактически, одна из форм углеродного волокна — углеродные нанотрубки — считается самым прочным из доступных материалов. Углеродное волокно применяется в строительстве, машиностроении, авиакосмической отрасли, в высокопроизводительных транспортных средствах, спортивном оборудовании и музыкальных инструментах. В области энергетики углеродное волокно используется в производстве лопастей ветряных мельниц, хранилищах природного газа и топливных элементах для транспортировки. В авиастроении он находит применение как в военной, так и в коммерческой авиации, а также в беспилотных летательных аппаратах.Для разведки нефти используется при производстве глубоководных буровых платформ и труб.

Быстрые факты: статистика углеродного волокна

• Каждая нить углеродного волокна имеет диаметр от 5 до 10 микрон. Чтобы дать вам представление о том, насколько это мало, один микрон (мкм) равен 0,000039 дюйма. Одна нить шелка паутины обычно имеет толщину от трех до восьми микрон.
• Углеродные волокна в два раза жестче стали и в пять раз прочнее стали (на единицу веса). Они также обладают высокой химической стойкостью, устойчивостью к высоким температурам и низким тепловым расширением.

Сырье

Углеродное волокно сделано из органических полимеров, которые состоят из длинных цепочек молекул, удерживаемых вместе атомами углерода. Большинство углеродных волокон (около 90%) производятся с использованием процесса полиакрилонитрила (PAN). Небольшое количество (около 10%) производится из искусственного шелка или нефтяного пека.

Газы, жидкости и другие материалы, используемые в производственном процессе, создают определенные эффекты, качества и сорта углеродного волокна. Производители углеродного волокна используют запатентованные формулы и комбинации сырья для материалов, которые они производят, и в целом они относятся к этим конкретным составам как к коммерческой тайне.

Углеродное волокно высочайшего качества с наиболее эффективным модулем (константа или коэффициент, используемый для выражения числовой степени, в которой вещество обладает определенным свойством, таким как эластичность), свойства используются в таких сложных приложениях, как аэрокосмическая промышленность.

Производственный процесс

Создание углеродного волокна включает в себя как химические, так и механические процессы. Сырье, известное как прекурсоры, превращается в длинные нити, а затем нагревается до высоких температур в анаэробной (бескислородной) среде.Вместо того, чтобы гореть, сильная жара заставляет атомы волокна так сильно вибрировать, что почти все неуглеродные атомы выбрасываются.

После завершения процесса карбонизации оставшееся волокно состоит из длинных, тесно связанных цепочек углеродных атомов с небольшим количеством неуглеродных атомов или без них. Эти волокна впоследствии вплетаются в ткань или комбинируются с другими материалами, которые затем наматываются на нити или формуются в желаемые формы и размеры.

Следующие пять сегментов являются типичными для процесса производства углеродного волокна PAN:

1. Прядение. PAN смешивается с другими ингредиентами и превращается в волокна, которые затем промываются и растягиваются.
2. Стабилизирующая. Волокна подвергаются химическому изменению для стабилизации склеивания.
3. Карбонизация . Стабилизированные волокна нагреваются до очень высокой температуры, образуя прочно связанные кристаллы углерода.
4. Обработка поверхности . Поверхность волокон окислена для улучшения свойств сцепления.
5. Калибровка. Волокна покрываются и наматываются на бобины, которые загружаются в прядильные машины, которые скручивают волокна в пряжу разного размера.Вместо того, чтобы вплетаться в ткани, волокна также могут быть сформированы в композитные материалы с использованием тепла, давления или вакуума для связывания волокон вместе с пластиковым полимером.

Углеродные нанотрубки производятся по другому процессу, чем стандартные углеродные волокна. По оценкам, нанотрубки в 20 раз прочнее своих предшественников, их выковывают в печах, в которых для испарения углеродных частиц используются лазеры.

Производственные проблемы

Производство углеродных волокон связано с рядом проблем, в том числе:

• Необходимость более рентабельного восстановления и ремонта
• Неустойчивые производственные затраты для некоторых приложений: например, даже несмотря на то, что новая технология находится в стадии разработки из-за непомерно высоких затрат, использование углеродного волокна в автомобильной промышленности в настоящее время ограничено высокопроизводительные и роскошные автомобили.
• Процесс обработки поверхности необходимо тщательно регулировать, чтобы избежать образования ямок, которые приводят к повреждению волокон.
• Тщательный контроль, необходимый для обеспечения стабильного качества
• Проблемы со здоровьем и безопасностью, включая раздражение кожи и дыхания
• Искрение и короткое замыкание в электрическом оборудовании из-за высокой электропроводности углеродных волокон

Углеродное волокно будущего

По мере того как технология углеродного волокна продолжает развиваться, возможности углеродного волокна будут только расширяться и расширяться.В Массачусетском технологическом институте несколько исследований, посвященных углеродному волокну, уже показывают большие перспективы для создания новых производственных технологий и дизайна для удовлетворения растущего спроса в отрасли.

Доцент кафедры машиностроения Массачусетского технологического института Джон Харт, пионер нанотрубок, работал со своими учениками над преобразованием технологии производства, в том числе над поиском новых материалов, которые будут использоваться в сочетании с 3D-принтерами коммерческого уровня. «Я попросил их подумать совершенно нестандартно; смогут ли они придумать трехмерный принтер, которого никогда раньше не делали, или полезный материал, который нельзя напечатать с помощью современных принтеров», — пояснил Харт.

Результатом стали прототипы машин для печати расплавленного стекла, мягкого мороженого и композитов из углеродного волокна. По словам Харта, студенческие команды также создали машины, которые могут обрабатывать «параллельную экструзию полимеров на большой площади» и выполнять «оптическое сканирование на месте» процесса печати.

Кроме того, Харт работал с адъюнкт-профессором химии Массачусетского технологического института Мирчей Динка в рамках недавно завершившегося трехлетнего сотрудничества с Automobili Lamborghini, чтобы исследовать возможности нового углеродного волокна и композитных материалов, которые могут в один прекрасный день не только «сделать весь кузов автомобиля доступным. используется в качестве аккумуляторной системы, «но приводит к» более легким и прочным корпусам, более эффективным каталитическим нейтрализаторам, более тонкой краске и улучшенной теплоотдаче силовой передачи [в целом].»

С такими ошеломляющими достижениями на горизонте неудивительно, что рынок углеродного волокна, согласно прогнозам, вырастет с 4,7 млрд долларов в 2019 году до 13,3 млрд долларов к 2029 году, при среднегодовом темпе роста (CAGR) на 11,0% (или немного выше) выше тот же период времени.

Источники

• МакКоннелл, Вики. «Изготовление углеродного волокна». CompositeWorld . 19 декабря 2008 г.
• г. Шерман, Дон. «Помимо углеродного волокна: следующий прорывный материал в 20 раз прочнее.« Автомобиль и водитель. 18 марта 2015 г.
• Рэндалл, Даниэль.« Исследователи Массачусетского технологического института сотрудничают с Lamborghini в разработке электромобиля будущего ». MITMECHE / В новостях: Департамент химии. 16 ноября 2017 г.
• «Рынок углеродного волокна по видам сырья (PAN, смола, вискоза), типу волокна (первичное, переработанное), типу продукта, модулю упругости, применению (композит, Несложный), Конечная промышленность (A & D, автомобилестроение, ветроэнергетика) и регион — глобальный прогноз до 2029 г.»MarketsandMarkets ™. Сентябрь 2019 г.

Справочник по материалам из углеродного волокна

Углеродное волокно — это именно то, на что это похоже — углеродное волокно. Но эти волокна — только основа. То, что обычно называют углеродным волокном, представляет собой материал, состоящий из очень тонких нитей атомов углерода. При связывании пластичной полимерной смолой под действием тепла, давления или вакуума образуется композитный материал, который является одновременно прочным и легким.

Углеродное волокно, как ткань, бобровая плотина или ротанговое кресло, зависит от ткани.Чем сложнее переплетение, тем прочнее будет композит. Полезно представить себе проволочный экран, который переплетен с другим экраном под углом, а другой — под немного другим углом, и так далее, причем каждый провод в каждом экране сделан из нитей углеродного волокна. Теперь представьте эту сетку экранов, пропитанную жидким пластиком, а затем сжимающую или нагретую до тех пор, пока материал не срастется. Угол переплетения, а также смола, используемая с волокном, будут определять прочность всего композита.Смола чаще всего представляет собой эпоксидную смолу, но также может быть термопластичной, полиуретановой, сложным виниловым или полиэфирным.

ДэйвАлан / E + / Getty Images

В качестве альтернативы может быть отлита форма и поверх нее нанесены углеродные волокна. Затем композит из углеродного волокна отверждается, часто в вакууме. В этом методе пресс-форма используется для достижения желаемой формы. Этот метод предпочтителен для несложных форм, которые необходимы по запросу.

Углеродный волокнистый материал имеет широкий спектр применения, так как он может быть сформирован с различной плотностью в неограниченных формах и размерах.Углеродное волокно часто формуют в виде трубок, ткани и ткани, а также могут быть изготовлены по индивидуальному заказу в виде любого количества композитных деталей и частей.

Обычное использование углеродного волокна

• Высококачественные автомобильные компоненты
• Велосипедные рамы
• Удочки
• Подошвы для обуви
• Бейсбольные биты
• Защитные чехлы для ноутбуков и iPhone

Гиперкар Apollo IE. Мартин Люси / Getty Images

Более экзотические применения можно найти в:

• Авиационная и космическая промышленность
• Нефтегазовая промышленность
• Беспилотные летательные аппараты
• Спутники
• Гоночные автомобили Формулы-1

Однако некоторые утверждают, что возможности углеродного волокна ограничиваются только спросом и воображением производителя.Теперь углеродное волокно даже можно найти в:

• Музыкальные инструменты
• Мебель
• Искусство
• Конструктивные элементы зданий
• Мосты
• Лопасти ветряных турбин

гилаксия / Getty Images

Если бы углеродное волокно могло иметь какие-либо недостатки, то это были бы производственные затраты. Углеродное волокно нелегко производить в массовом порядке и поэтому стоит очень дорого. Велосипед из углеродного волокна легко будет стоить тысячи долларов, и его использование в автомобилестроении по-прежнему ограничено экзотическими гоночными автомобилями.Углеродное волокно популярно в этих изделиях, а другие — благодаря соотношению веса к прочности и устойчивости к пламени, так что существует рынок синтетических материалов, которые выглядят как углеродное волокно. Тем не менее, имитации часто представляют собой лишь частично углеродное волокно или просто пластик, который выглядит как углеродное волокно. Это часто происходит в защитных кожухах для компьютеров и другой мелкой бытовой электроники.

Положительным моментом является то, что детали и изделия из углеродного волокна, если их не повредить, будут служить практически вечно.Это делает их хорошей инвестицией для потребителей, а также поддерживает обращение продукции. Например, если потребитель не желает платить за набор новых клюшек для гольфа из углеродного волокна, есть вероятность, что эти клюшки появятся на вторичном рынке подержанных.

Углеродное волокно часто путают со стекловолокном, и хотя есть сходства в производстве и некоторые пересечения в конечных продуктах, таких как мебель и автомобильные молдинги, они разные. Стекловолокно — это полимер, армированный плетеными нитями кварцевого стекла, а не углерода.Композиты из углеродного волокна прочнее, а стекловолокно более гибкое. И оба имеют различный химический состав, что делает их более подходящими для разных применений.

Переработка углеродного волокна очень сложна. Единственный доступный метод полной переработки — это процесс, называемый термической деполимеризацией, при котором продукт из углеродного волокна перегревается в бескислородной камере. Затем высвобожденный углерод можно закрепить и повторно использовать, а также любой использованный связующий или армированный материал (эпоксидная смола, винил и т.) сгорел. Углеродное волокно также можно разрушить вручную при более низких температурах, но получаемый в результате материал будет слабее из-за укороченных волокон и, следовательно, не будет использоваться в наиболее идеальном варианте. Например, большой кусок трубки, который больше не используется, можно разделить, а оставшиеся части использовать для компьютерных корпусов, портфелей или мебели.

Углеродное волокно — невероятно полезный материал, используемый в композитах, и его доля на производственном рынке будет продолжать расти.По мере развития все большего числа методов экономичного производства композитов из углеродного волокна цена будет продолжать падать, и все больше отраслей будут использовать преимущества этого уникального материала.

Что такое углеродное волокно? — Композиты Protech

Углеродное волокно (также известное как углеродное волокно) — один из самых прочных и легких материалов, доступных сегодня на рынке. Композиты из углеродного волокна в пять раз прочнее стали и на треть меньше веса, поэтому они часто используются в аэрокосмической и авиационной промышленности, робототехнике, гонках и в самых разных отраслях промышленности.

Ткань из углеродного волокна

Углеродное волокно начинается с очень и очень тонких нитей волокна, которые тоньше человеческого волоса. Эти пряди скручены вместе, как пряжа (называемая жгутом), и вплетены в ткань из углеродного волокна, которая обычно бывает плотностью 3k, 6k и 12k. Ткань 3k имеет 3000 нитей углерода в каждой жгуте, в то время как более тяжелая ткань 6k имеет 6000 нитей на жгут.

Ткань из углеродного волокна бывает разного переплетения с разными прочностными свойствами. Наиболее распространены полотняное переплетение, жгутное атласное переплетение, саржевое переплетение и однонаправленное переплетение.

Weave важен по двум причинам — внешний вид и функциональность. Каждое переплетение выглядит по-разному, и иногда люди предпочитают внешний вид определенного переплетения для конкретного применения. Кроме того, переплетение влияет на прочность изделия. Однонаправленное переплетение создает лист из углеродного волокна, очень прочный в направлении волокон, но слабый в противоположном направлении. С другой стороны, полотняное и саржевое переплетение имеют более однородную прочность, поскольку они наиболее прочны в местах пересечения волокон в любом направлении.

Композиты из углеродного волокна

Чтобы сделать лист из углеродного волокна (также известный как композит), ткань из углеродного волокна пропитывают или пропитывают эпоксидными смолами и нагревают до высоких температур. Фигурные детали изготавливаются путем наложения нескольких кусков ткани на форму, пропитывания их смолой и нагревания до тех пор, пока смола не пропитается всеми слоями.

Преимущества углеродного волокна

Композиты из углеродного волокна выделяются из общей массы по нескольким причинам. Вот несколько:

• Легкий — углеродное волокно — это материал низкой плотности с очень высоким отношением прочности к массе

• Высокая прочность на разрыв — одно из самых прочных из всех имеющихся в продаже армирующих волокон, когда дело доходит до растяжения, углеродное волокно очень трудно растягивать или сгибать

• Низкое тепловое расширение — углеродное волокно будет расширяться или сжиматься намного меньше в горячих или холодных условиях, чем такие материалы, как сталь и алюминий

• Исключительная долговечность — углеродное волокно имеет превосходные усталостные свойства по сравнению с металлом, что означает, что компоненты, изготовленные из углеродного волокна, не изнашиваются так быстро под нагрузкой от постоянного использования

• Коррозионная стойкость — при изготовлении из соответствующих смол углеродное волокно является одним из наиболее устойчивых к коррозии материалов на рынке

• Radiolucence — углеродное волокно прозрачно для излучения и невидимо в рентгеновских лучах, что делает его ценным для использования в медицинском оборудовании и учреждениях

• Электропроводность — композиты из углеродного волокна являются отличными проводниками электричества

• Устойчивость к ультрафиолетовому излучению — углеродное волокно может быть устойчивым к ультрафиолетовому излучению при использовании соответствующих смол

Недостатки

• Углеродное волокно сломается или расколется при сжатии, превышении его прочностных возможностей или при сильном ударе.При ударе молотком он треснет. Обработка и отверстия также могут создавать слабые места, которые могут увеличить вероятность поломки.

• Относительная стоимость — углеродное волокно — это высококачественный материал с соответствующей ценой. Хотя цены значительно упали за последние пять лет, спрос не увеличился настолько, чтобы существенно увеличить предложение. В результате цены, скорее всего, останутся прежними в ближайшем будущем.

Имеете в виду проект?

Мы рады предоставить бесплатную консультацию без каких-либо обязательств.

.

No related posts.