9.5.5. Углепласты.

Углепласты (карбоволокниты, карбон от «carbon», «carbone» — углерод) - полимерные композиционные материалы, состоящие из переплетённых нитей углеродного волокна, расположенных в матрице из полимерных (например, эпоксидных) смол. Материалы на основе углеродных волокон и углеродной матрицы называют углерод-углеродными материалами. В производстве углепластов применяют как термореактивные синтетические смолы (эпоксидные, фенольные, полиэфирные, полиимидные и др.), так и термопластичные (полиамиды, поликарбонаты, полисульфоны, полиэфиры и др.). Используют следующие виды наполнителей: углеродные нити, жгуты, ленты, ткани, маты, короткие рубленые волокна. Повышенные характеристики имеют углепластики на основе непрерывных высокопрочных и высокомодульных (модуль упругости выше 150 ГПа) углеродных волокон. Углепластики характеризуются низкой плотностью, высокой прочностью, высоким модулем упругости, статической и динамической выносливостью, вибропрочностью, повышенной химической и радиационной стойкостью, теплопроводностью, близким к нулю коэффициентом линейного расширения.

Впервые идею об углеродных волокнах высказал Эдисон в 1880 году, предложив использовать их в качестве нити накаливания световых ламп. Вскоре с приходом вольфрамовой проволоки идея была забыта. В середине двадцатого века интерес к углепластикам проявился вновь. Искались новые материалы, способные выдержать многотысячную температуру ракетных двигателей. Впервые карбон был использован в программе NASA, при постройке космических кораблей. В 1967 году карбон появился в свободной продаже в Англии. В 1981 г. Джон Барнард впервые использовал карбоновое волокно при создании моноблока болидов формулы 1. С триумфом ворвавшись в автоспорт, углепластик оказался конкурентно способным материалом от сложнейших космических систем до бытовых удилищ.

Основная составляющая часть углепластика — это нити углерода. Такие нити очень тонкие (примерно 0.005-0.010 мм в диаметре^[1]), сломать их очень просто, а вот порвать достаточно трудно. Из этих нитей сплетаются ткани. Они могут иметь разный рисунок плетения (ёлочка, рогожа и др.)

Сочетаются нити различных материалов, например нити углепластика и резины, углепластика и полимера полипарафенилен-терефталамид, торговая марка кевлар, нити углепластика и стекловолокон. Нити переплетают между собой под определенным углом, образуя слои, причем, в каждом слое карбона углы переплетения разные. Это делается для компенсации ярко выраженных разнонаправленных свойств углепластиков. В листе карбона на 1 мм толщины приходится 3-4 таких слоя. Вся эта конструкция скрепляется эпоксидными смолами и другими видами смол. Присутствие в углепластиках армирующих компонентов и одного связующего благоприятно сказывается на характеристиках карбонового волокна: высокая прочность, износостойкость, жесткость.

Высокая энергия связи С-С углеродных волокон позволяет им сохранять прочность при очень высоких температурах (в нейтральной и восстановительных средах до 2200°С), а также при пониженных температурах. От окисления поверхности волокна предохраняют защитными покрытиями (пиролитическими). В отличие от стеклянных волокон карбоволокна плохо смачиваются связующими (низкая поверхностная энергия), поэтому их подвергают травлению. Применяется вискеризация нитевидных кристаллов TiO₂, AlN и Si₃Ni₄, что дает увеличение межслойной жесткости в 3 раза и прочности в 2,8 раза. Применяются пространственно армированные структуры. Карбостекловолокниты содержат наряду с угольными стеклянные волокна, что удешевляет материал.

Карбоволокниты отличаются высоким статическим и динамическим сопротивлением усталости, сохраняют это свойство при нормальной и очень низкой температуре; высокая теплопроводность волокна предотвращает саморазогрев материала за счет внутреннего трения. Теплопроводность углепластиков в 1,5-2 раза выше, чем теплопроводность стеклопластиков. Углепластики стойки к воздействию воды и химических реагентов. Для углепластиков с ориентированным (однонаправленным, перекрестным или пространственно армированным) расположением высокомодульных волокон коэф. теплопроводности 0,75-0,90 Вт/(м·К), коэф. температуропроводности (5-8)·10^-7 м²/с, уд. теплоемкость 0,8-1,5 кДж/(кг·К). Температурный коэффициент линейного расширения однонаправленного углепластика вдоль волокон (-0,5-0,5)·10^-6 К^-1. Электропроводящие свойства углепластиков такие же, как и у исходных углеродных волокон. Углепластик имеет сравнительно невысокую плотность от 1.4 до 1.8 г/cм². Диапазоны прочности при растяжении составляют 500 – 3000 МПа. Наиболее прочны на растяжение углепластики с одноосно направленными нитями.

Углеродные волокна изготавливают несколькими способами: выращивание кристаллов в световой дуге, химическое осаждение углерода, создание органических волокон в специальной печи автоклаве. Последний способ получил наибольшее распространение.

Исходным сырьём являются волокна полиакрилонитрила или вискозы, которые окисляют на воздухе в течение 24 часов, при температуре 250 градусов. Образующиеся волокна, переносят в инертный газ, где производится последующий процесс карбонизации - высокотемпературный длительный нагрев в пределах от 800 до 1500 градусов. При нагреве убывают летучие соединения, а в самих волокнах образуются новые связи, материал обугливается. Далее следует графитизация (насыщение углеродом) при температурах 1600-3000 градусов, так же в инертной среде. Из образовавшегося материала изготавливают нити, которые переплетают с другими армирующими нитями в слои.

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

Изделия из углепластика формируются двумя основными способами:

1. "мокрый" способ - самый распространенный. Волокна укладываются в форму, пропитываются эпоксидной смолой, излишки смолы удаляются в вакууме или под давлением, а оставшаяся смола полимеризуется, само карбоновое изделие формируется под давлением.

2. "сухой" метод является более сложным процессом. Исходные углепластиковые заготовки, изготовленные под давлением, которые формуют в процессе создания. Углепластик, изготовленный сухим способом, намного прочнее и легче мокрого.

Углепластик, полученный сухим методом, имеет ребристую поверхность. Изделия, изготовленные мокрым методом совсем гладкие на ощупь.

Углепластик разделяется на сорта, зависящие от времени прогрева волокон в автоклаве.

Рис. 9.3. Фото болида Формулы 1, в конструкции которых используются детали из углепластика.

Преимущества углепластиков:

1. углеродные волокна карбона имеют механические характеристики на растяжение, соизмеримые с параметрами сталей; характеристики на сжатие значительно ниже, создание углепластикового волокна частично решают проблему;

2. плотность карбона составляет 1.4 – 1.8 г/см3, в сравнение плотность стали в среднем равна 7.7 г/см3, алюминия 2.72 г/см3;

3. карбон, собранный из углерода и кевлара (разновидность резины), хоть и имеет более высокую плотность, а при ударах трескается, крошится, но не разбивается на части;

4. карбоновое волокно выдерживает температуру воздействия до 1600К, в восстановительной атмосфере до 2200К;

5. карбон является хорошим энергопоглотителем (его можно увидеть вместо крыши двигателя).

6. неокрашенный карбон стильно и красиво выглядит.

Недостатки углепластиков:

1. стоимость карбона довольно высока, хотя постепенно карбон дешевеет;

2. высокая сложность ремонта карбона или невозможность восстановления в случае повреждения. Карбон разрушается от «точечных» ударов. Например, капот из карбона может превратиться в решето после частого попадания мелких камней. В отличие от металлических деталей или деталей из стеклоткани, восстановить первоначальный вид карбоновых деталей невозможно. Поэтому, после даже незначительного повреждения всю деталь придется менять целиком;

3. карбон обладает электропроводностью,

4. со временем карбон становится темно-желтоватого оттенка на солнце, карбон покрывают специальным лаком, а иногда и вовсе красят;

5. карбон, составленный из углепластика и резины, может выдержать мощнейшие ударные нагрузки, но если во время столкновения он не выдержит, то расколется на множество острых кусков;

6. карбон разрушается от точечных ударов;

7. в отличие от металла, карбон легче и, потому, может легко оторваться на прогулке с ветерком, потому карбоновым деталям требуется основательное крепление;

8. длительное время изготовления карбоновых деталей на заказ;

9. в местах контакта карбона с металлом в соленой среде металл быстро коррозирует (например, зимой, когда дороги посыпаются разной химией с солью), проблема устраняется стеклопластиковыми вставками между карбоном и металлом, которые встраиваются в углепластик.

Несмотря на недостатки карбона, его плюсы с лихвой перекрывают любые недостатки.

Углепластики нашли своё место среди современных материалов. Они используются как в массовых простых изделиях (удочки) так и в сложнейших технических аппаратах (космические корабли, болиды Формулы 1). Области и изделия использования углепластиков следующее:

1. ракетно-космическая техника;

2. авиатехника (самолётостроение, вертолётостроение);

3. судостроение (корабли, спортивное судостроение);

4. автомобилестроение (спортивные автомобили, мотоциклы, болиды Формулы 1);

5. наука и исследования;

6. усиление железобетонных конструкций;

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

8. медицинская техника;

9. рыболовные снасти (удилища);

10. бытовая техника (отделка корпусов телефонов, ноутбуков);

11. моделизм;

12. струны музыкальных инструментов;

13. изготовление индивидуальных супинаторов (особенно для спорта).

Углепластик в тюнинге. Карбон обожают за его привлекательный вид, хорошие характеристики. Сейчас можно без особого труда найти: бумажники, кроссовки, разную одежду с карбоновыми вставками или целиком сделанные из карбона шлемы, ручки. И необязательно тот карбон настоящий. Изделия под карбон выполняют свою «карбоновую» задачу – притягивают восторженные взгляды.

В автомобилестроении из карбона выполняют: капоты, обвесы, спойлеры, крышу, днище, сиденья, приборные панели и все это радует глаз. Иногда на выставках можно встретить закарбоненные авто по максимуму (рис. 9.4.).

Рис. 9.4. Кузов автомобиля, изготовленный из углепластика.