Свойства и применение углепластиковВведение

Виды волокон карбона. Полотно

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

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

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

3.Связующие

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

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

До момента отверждения связующее остается вязкотекучей жидкостью. В определенных условиях (при повышении температуры, добавлении иницирующих реакцию веществ и т. п.) молекулы этой жидкости взаимодействуют между собой, образуя большие пространственные молекулы, вследствие чего вся масса связующего необратимо отверждается — затвердевает.

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

Применение углепластиков

Углепластик (карбон) имеет невероятно широкую сферу применения. Углеродные материалы и изделия из них можно встретить в самых разнообразных отраслях промышленности.

В строительстве, например, углеродные ткани применяются в Системе внешнего армирования. Использование углеродной ткани и эпоксидного связующего при ремонте несущих конструкций (мостов, промышленных, складских, жилых зданий) позволяет проводить реконструкцию в сжатые сроки и со значительно меньшими трудозатратами по сравнению с традиционными способами. При этом, хотя срок ремонта снижается в разы, срок службы конструкции увеличивается также в несколько раз. Несущая способность конструкции не просто восстанавливается, но и увеличивается в несколько раз.

В авиации углеродные материалы используются для создания цельных композитных деталей. Сочетание легкости и прочности получаемых изделий позволяет заменить алюминиевые сплавы углепластиковыми. Композитные детали, при их весе в 5 раз меньшем, чем аналогичных алюминиевых, обладают большей прочностью, гибкостью, устойчивостью к давлению и некоррозийностью.

В атомной промышленности углепластики используются при создании энергетических реакторов, где основным требованием к используемым материалам является их стойкость к высоким температурам, высокому давлению и радиационная стойкость

Кроме этого, в атомной отрасли особое внимание отдается общей прочности внешних конструкций, поэтому Система внешнего армирования также имеет обширное применение

В автомобилестроении карбон (или углепластик) используется для производства как отдельных деталей и узлов, так и для автомобильных корпусов целиком. Высокое отношение прочности к весу позволяет создавать безопасные, и в то же время экономичные автомобили: снижение веса автомобиля за счет углепластиков на 30 % позволяет снизить выброс CO2 в атмосферу на 16% (!), благодаря снижению расхода топлива в несколько раз.

В гражданской аэрокосмической отрасти композиционные материалы занимают очень прочные позиции. Высокие нагрузки космических полетов ставят соответствующие требования и материалам, которые используются при производстве деталей и узлов. Углеродные волокна и материалы из них, а также из карбидов работают в условиях высоких температур и давления, при высоких вибрационных нагрузках, низких температурах космического пространства, в вакууме, в условиях радиационного воздействия, а также воздействия микрочастиц и т.п.

В судостроении высокая удельная прочность, коррозионная стойкость, низкая теплопроводность, немагнитность и высокая ударостойкость делают углепластики лучшим материалом для проектирования и создания новых материалов и конструкций из них. Возможность сочетать в одном материале высокую прочность и химическую инертность, а также вибро-, звуко- и радиопоглощение обуславливает выбор именно этого материала для изготовления конструкций различных видов гражданских судов.

Одной из наиболее значимых областей применения углеродных материалов в мировой практике является ветроэнергетика. В нашей стране эта отрасль находится, по сути, в стадии зарождения, в то время как во всем мире ветряки появляются и в незаселенных районах, и в прибрежных зонах, и на морских платформах. Легкость и непревзойденные показатели прочности на изгиб углепластиков позволяют создавать более длинные лопасти, которые, в свою очередь, обладают большей энергопроизводительностью.

В железнодорожной отрасли углепластики имеют широкое применение. Легкость и прочность материала позволяет облегчить конструкцию железнодорожных вагонов, снизив тем самым общий вес составов, что позволяет в дальнейшем как увеличивать их длину, так и улучшать скоростные характеристики. В то же время углепластики могут использоваться и при строительстве железнодорожного полотна и прокладке железнодорожных проводов: высокие показатели прочности на изгиб позволяют увеличивать длину проводов, сокращая необходимое количество опор и в то же время снижая риск их провисания.

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

Достоинства

• Обладает достаточной прочностью, чтобы выдерживать большие компрессионные нагрузки, можно делать менее густую армированную сетку или брать для этой цели прутья тоньше.
• Пластик в 10 раз легче металла, что облегчает и удешевляет перевозку.
• Для монтажа сетки и нарезки прутьев не нужна сварочная аппаратура, что упрощает сборку и позволяет экономить на оборудовании.
• Не реагирует со щелочью и не поддается коррозии.
• Хорошо переносит низкие температуры и не разрушается.
• Обладает долговечностью — служит до 75 лет.

Недостатки арматуры из углепластика

• Высокая стоимость, ее чаще используют в качестве усилителя, опоры в составе конструкции из менее дорогих материалов. Правда, судя по отзывам, композитная арматура дает возможность экономить на перевозке, нарезке и монтаже, в комплексе она получается вполне доступной.
• Может ломаться при ударных нагрузках, а также при попытках её согнуть, то есть требует аккуратного обращения при транспортировке, хранении и собственно монтаже.
• Отличить подделку рядовому потребителю невозможно, для оценки качества требуется особое дорогостоящее оборудование: ультразвук, рентген, оптическая голография и тому подобное.
• Малейшая трещина, невидимая глазу, снижает прочностные характеристики.
• Отсутствие огнестойкости — при 600°C начинает размягчаться, нужны меры по защите на случай пожара.

Правила вязки

Изготавливая арматурную сетку, нужно следить, чтобы соединение прутьев осуществлялось внахлест. Ширина шага должна составлять не более 250 мм. Надежность соединения стыков никак не влияет на качество самого бетона, но лучше их проверять, чтобы сама конструкция не сместилась во время заливки.

Все угловые элементы должны быть зафиксированы при установке каркаса. Если вязка происходит непосредственно в котловане, то опорная конструкция должна быть укреплена сразу, до установки опалубки.

Чтобы ручная вязка происходила достаточно быстро, необходимо заранее подготовить инструменты. Для этого понадобятся кусачки, плоскогубцы, винтовой крючок. Проволоку нужно заранее нарезать на кусочки примерно по 20 см, если диаметр пластиковых стержней не превышает 16 мм. Вязать можно угловыми узлами, двухрядными, крестовыми или мертвыми.

Стоимость по Москве

Цена на углепластковую арматуру зависит от сечения диаметра и не очень отличается от аналогов.

Для домашнего применения: стяжки полов, кирпичной кладки, возведения колонн и прочего, достаточно купить базальтовую арматуру (или углепластиковую) диаметром 4-6 мм.

Производство карбоновых рам

Подробности

Просмотров: 10752

  Почему рамы и некоторые детали спортивных велосипедов экстра-класса делают из карбона? Ответ на этот вопрос заключается в особенностях этого материала.

  Карбон или углепластик – это материал из переплетенных между собой карбоновых нитей, скрепленных эпоксидными смолами. Карбоновые волокна – это тонкие трубочки диаметром 5-8 мк, почти полностью состоящие из углерода. Их получают особой термической обработкой искусственных или природных веществ.

Тёмная карбоновая нить на фоне человеческого волоса

  Поскольку карбоновые нити легко ломаются, но очень трудно рвутся, из них сплетают ткани, которые и являются основным материалом для изготовления карбоновых изделий. Нити в тканях располагаются слоями под углом друг другу, это обеспечивает одинаковую прочность материала во всех направлениях.

Достоинства карбоновых рам

  Карбон имеет очень высокую прочность, превосходя в этом некоторые высокопрочные стали. И в тоже время – очень малый вес, в 2-3 раза меньший, чем у титана. По комплексному параметру «прочность-легкость» углепластик – один из лучших, если вообще не самый лучший материал. Именно эти качества обеспечили его использование при изготовлении не только велосипедов, но и многих других бытовых и промышленных изделий высшего качества и даже в авиастроении.

  Велосипедные рамы из карбона получаются прочными и очень легкими. Вдобавок к этому углепластик хорошо гасит вибрацию и не поддается коррозии. По сравнению с титаном, он обеспечивает большую жесткость рамы, облегчая езду по пересеченной местности и в гору. Усовершенствованная технология производства карбоновых деталей позволяет изготавливать не только рамы для велосипедов, но и другие элементы – выносы, рули, вилки, шатуны, подседельные штыри и даже звездочки.

Производство из материала 21-го века по технологиям 19-го

  Нужно сказать, что процесс изготовления карбоновой рамы мало похож на производство 21 века. Скорее он напоминает работу в мастерской дофордовских времен. Основная часть операций делается вручную. Это объясняет, конечно, дороговизну карбона, из-за которой невозможен массовый спрос. А без массового спроса нет экономического смысла разрабатывать и строить автоматические линии. Процесс изготовления велосипедных рам из углепластика требует много рабочих рук. Это наряду с дороговизной материала делает карбоновые рамы дорогим удовольствием.

  Итак, что представляет собой процесс изготовления велосипедной рамы из углепластика?

  Из всех компаний-производителей велосипедов лишь две (Giant и Time) в качестве исходного сырья использует карбоновые нити. Другие фирмы предпочитают закупать уже готовую углеволоконную ткань.

  Если рассматривать процесс изготовления рам на примере Giant и Time, то исходный материал для карбоновых велосипедных рам представляет собой катушку толстых ниток. Вернее сказать, несколько десятков катушек, которые надеты на бобины. Множество карбоновых нитей проходят через станок, превращаясь в листы, шириной в 3 фута, пропитанные смолой.

Сборка рамы

  Рама велосипеда представляет собой замкнутую конструкцию со сложной поверхностью, которая в разных местах имеет различную конфигурацию – в виде цилиндра, тора, или иных криволинейных поверхностей. Для удобства сборки рама подразделяется на отдельные элементы, которые формируются путем наложения листовых заготовок на шаблоны (матрицы), форма которых идентична элементам рамы. Эта работа напоминает изготовление деталей из стеклопластика. Те, кому приходилось делать из него обвесы для своего мотоцикла или машины, смогут сделать это и из карбона.

Листовая заготовка разрезается на фрагменты различной конфигурации и размеров – в зависимости от того, для какой части рамы она предназначена. Причем при нарезании частей учитывается не только конфигурация заготовки, но и расположение нитей в ней. Нарезанные фрагменты раскладываются по коробкам, из которых рабочие подбирают себе куски необходимых размеров.

На сборочных столах имеются ячейки (гнезда), в которых лежат карбоновые фрагменты для определенных деталей. Перед наложением листовых заготовок на матрицу, они разогреваются на подогретой пластине. Матрицу тоже подогревают для придания углепластику эластичности и гибкости. Каждая деталь рамы требует наложения нескольких слоев заготовок. Наиболее простым является изготовление трубчатых частей рамы. Листовой фрагмент просто несколько раз оборачивается вокруг шаблона в виде трубки.

Наиболее сложные в изготовлении – зона каретка и рулевой колонки.

После того как все части рамы сформованы, их укладывают в пластмассовую форму. Во внутреннюю полость рамы вводят эластичной баллон из полиуретана и подкачивают его – чтобы он создавал давление на стенки рамы изнутри. В отверстие каретки и во втулку руля вставляют стальные сердечники. Отрезают излишки карбонового волокна и отправляют подготовленную раму в холодильник, где она ожидает своей очереди на формовку и обжиг в печи.

Формовка

  Для горячего формования раму укладывают в форму. Ввиду сложности конфигурации изделия, форма состоит из различных подвижных частей, которые пододвигаются в нужное положение к раме и фиксируются болтами. Когда все части нижней половины формы находятся на своих местах и зафиксированы, опускается с помощью гидравлики верхняя часть формы. В результате рама оказывается замкнутой со всех сторон.

Затем матрица с рамой отправляется в печь на температурную формовку (обжиг). Благодаря давлению находящегося во внутренней полости рамы полиуретанового баллона, наружная поверхность рамы в точности повторяет конфигурацию формы. Перекрывающие друг друга карбоновые листы сплавляются композитной смолой, образуя монолитную бесшовную поверхность. Излишки углепластикового композита выдавливаются из матрицы.

Финишная обработка

  После охлаждения форма разбирается, и извлекается готовая рама. Впрочем, говорить – «готовая» – еще рано. Ей предстоит финишная обработка – зачистка напильником и рашпилем, шлифовка, полировка и прочее. Во время зачистки и полировки образуется много карбоновой пыли, которая повисает в воздухе. Чтобы избежать ее вдыхания, люди работают в защитных костюмах и масках. Вентиляторы направляют пыльный воздух к стенам, по которым струится вода, смывающая карбоновую пыль.

  Заключительной операцией является тестирование. На раму с определенной высоты бросают груз и измеряют сопротивление удару. Тест показывает, насколько готовое изделие соответствует необходимым требованиям.

  И в завершении небольшое видео о производстве карбоновых рам на заводе Giant:

Углеродное волокно как материал основа для производства композиционных материалов

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 и пр. свойства.

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.

На основе углеродного волокна производят:

– композитную (углеродную) арматуру. Углеродная арматура представляет собой материал, который состоит из основы в виде углеродного волокна и связующего: термореактивной синтетической смолы. Углеродная арматура изготовляется методом пултрузии — протяжкой пропитанных связующим армирующих волокон через нагретую формообразующую фильеру;

– двунаправленные ткани: комбинированную (углеродную и арамидную) ткани, стеклоткань саржевого или полотняного переплетения, углеродную ткань саржевого или полотняного плетения, углеродную ткань-сатин;

– дизайнерские ткани;

– мультиаксиальные ткани: биаксильные ткани, квадроаксильные ткани,

– углеродное нетканое полотно. Нити углеродного волокна в однонаправленных нетканых материалах располагаются строго параллельно друг другу. Нити фиксируются стеклянной сеткой и/или эпоксидным биндером;

– однонаправленные углеродные ленты. Однонаправленные углеродные ленты – это текстиль, где свыше 75% волокон расположены в одном направлении. В качестве утка используется стекловолокно или арамидное волокно;

– препреги. Препреги — композиционные материалы-полуфабрикаты. Их получают путем пропитки армирующей волокнистой основы равномерно распределенными полимерными связующими. Пропитка осуществляется таким образом, чтобы максимально реализовать физико-механические свойства армирующего материала. Методы с использованием пропитки волокна позволяют на 30% улучшить свойства материала;

– системы внешнего армирования;

– преформу-рукав;

– фибру. Фибра – нарезанное углеродное волокно. Используется в качестве усиливающей добавки в бетон, асфальтобетон;

– прочие материалы: жгуты, углерод-углеродные композиционные материалы, фибры и т.д.

Углепластик

Рабочая температура углепластиков определяется их связующей. Наиболее высокие рабочие температуры имеют стеклопластики на полиимидной основе.
 

Анизотропия свойств углепластиков выражена еще более резко, чем у стеклопластиков.
 

Небольшой слой углепластика также создает достаточный экранирующий эффект. Поэтому в целях экономии дорогостоящего углеродного волокна применяют многослойные материалы, сочетающие слои стекло — и углепластиков, а также композиции на основе смешанных наполнителей. Несмотря на высокую стоимость, углеродные волокна являются перспективным видом наполнителей для электропроводящих пластмасс.
 

Изделия из углепластиков получают такими методами, как намотка и прессование.
 

Отличительной чертой углепластиков является также их высокая статическая и динамическая выносливость, достаточно высокая тепло -, водостойкость и химическая стойкость. По сравнению, например, со стеклопластиками они-обладают повышенной в полтора-два раза теплопроводностью.
 

Области применения углепластиков постоянно расширяются , чему способствует использование, так называемых, комбинированных материалов. Они составляют особый класс конструкций, объединяющих углепластики с другими материалами, например стеклопластиками, алюминием, деревом и пр.
 

Ценное свойство углепластиков — их высокая демпфирующая способность и вибропрочность. По этим показателям углепластики превосходят металлы и некоторые другие конструкционные материалы. Регулировать демпфирующую способность можно, изменяя угол между направлениями армирования и приложения нагрузки.
 

Химическая стойкость углепластиков позволяет применять их в производстве кислотостойких насосов, уплотнений. Углеродные волокна имеют низкий коэффициент трения. Это дает возможность использовать их в качестве наполнителя для различных связующих, из которых делают подшипники, прокладки, втулки, шестерни.
 

При нагревании углепластика с внутренним напряжением и неравновесной деформацией различного рода связи, удерживающие структурные образования композиции в напряженном состоянии, ослабевают или разрушаются.
 

Общим для углепластиков является высокое содержание порошковых углеродных наполнителей, а также смолы горячего отверждения в качестве связующего. В материалах АМС-1 и АМС-3 связующим является эпоксикремний — органическая смола, а в материале АФ-ЗТ — резольная фенолформальдегид-ная смола. Высокую износостойкость углепластикам придает порошок нефтяного кокса, являющийся основным наполнителем. Он создает неупорядоченную структурную решетку, более износостойкую, чем у искусственных графитов. На рис. 18 показаны скорости изнашивания и коэффициенты трения углепластиков и графита АГ-1500-СО5, полученные автором на машине трения МИ-1М. Все углепластики имеют более высокие антифрикционные свойства, чем графит АГ-1500-СО5, широко используемый для подшипников сухого трения. В табл. 16 приведены антифрикционные свойства материалов, полученные при испытаниях на машине МИ-1М при трении по стали 95X18, давления 20 кгс / см2, скорости скольжения 1 м / с со смазыванием водой. В качестве смазки могуг применяться также бензин, керосин, масло, спирт, морская вода и другие жидкости, в которых углепластики химически стойки. Допускаемое давление со смазыванием водой составляет 40 кгс / см2, скорость скольжения 10 м / с. При трении без смазки допускаемые давления 10 — 20 кгс / см2, скорость скольжения 1 5 — 3 м / с, температура в зоне трения 170 — 180 С.
 

Номенклатура изделий из карбонового волокна

карбоновые ткани

Главным изделием из высокомодульного волокна карбона является углеродная (карбоновая) ткань толщиной 1,6 – 5,0 мм, имеющая структуру плетеного полотняного переплетения плотностью от 520 до 560 г/м².

Карбоновые ткани, обладатели нулевого коэффициента линейного расширения, имеют высокую стойкость к деформациям и коррозии.

Характеристиками стандартных углеродных тканей являются:

содержание углерода, разрывная нагрузка (МПа), модуль упругости (Гпа), удлинение, линейная плотность.

Параметрами карбоновых тканей являются:

• ширина полотна 1000-2000мм
• содержание углерода 98,5%
• плотность 100-640 г/м2
• толщина 0,25-0,30 мм.

Кроме карбоновых тканей основными изделиями высокомодульного волокна являются ленты и шнуры.

Различают следующие виды плетения тканей карбоновых, которые в определенной мере влияют на подвижность изделия:

• полотняное переплетение, созданное по принципу переплетения каждой нити основы с уточной нитью 1/1, создавая лучшую прочность и подвижность ткани
• сатиновое переплетение, при котором одна нить утка переплетает 4-5 нитей основы, уменьшая возможность сильного изгиба ткани
• саржевое переплетение, у которого количество нитей основы перекрыто таким же количеством нитей утка.

Примером возможности саржевого переплетения является разноцветная карбоновая ткань. Карбоновую ткань разноцветную успешно используют при создании кевларовой одежды и вещей, отличающихся гигроскопичностью и способностью к воздухообмену. Кевлар из технических нитей с различной плотностью и структурой уже вошел в обиход авто и военной индустрии, потеснив стеклохолст и сталь.

Преимущества карбона ярко выражены в изделиях из карбонизированного углепластика.

изделия из карбонизированного волокна

Номенклатура изделий из карбонизированного волокна более расширена и представлена:

• углеродной тканью карбонизированной RK-300 (заменитель стеклоткани)
• тканью с односторонним алюминиевым покрытием RK-300AF (улучшенные свойства за счет термоэкрана позволяют использовать карбон в качестве теплоизоляционного обмоточного материала)
• углеродными конструкционными тканями 1k, 3k, 6k, 12k, 24k, 48k
• карбонизированными лентами и шнурами.

Тканый холст из карбонового или карбонизированного волокна отлично выполняет функции армирования, независимо от типа наполнителя.

Кроме того, с использованием карбонизированных волокон изготавливают экраны, поглощающие ЭМИ, термопары и электроды, а также радиотехнические изделия.

производство бассейнов с карбоновым усилением

При производстве бассейнов с усилением из карбона в технологию вводят этап добавления в керамический слой карбоновое усиление, древесную бальсу и вспененный каучук. Основанием создания двойного каркаса чаши бассейнов с карбоновым усилением послужили построенные эпюры нагрузки и допустимые напряжения на материал.

Сделаем, вывод, что набирающая обороты популярность использования карбонового волокна в перспективе сможет вытеснить с рынка армирующие материалы.