Изделия из карбона: особенности материала и сферы применения

Карбон по своим свойствам прочнее стали, легче алюминия. Он устойчив к погодным условиям, не впитывает влагу и почти не изменяет форму под долговременной нагрузкой. В отличие от металлов, карбон не имеет единой фиксированной структуры — производитель задаёт её сам. Можно менять направление волокон, толщину слоёв, тип смолы и получать материал с разными характеристиками.

В статье разберём, когда стоит использовать карбон, что это за материал, из чего он состоит. А также рассмотрим, в каких отраслях карбон применяется чаще всего и за что его так ценят.

Структура и состав карбонового композита

Карбон — это материал, который делают из углеродных волокон (нитей атомов углерода). Их соединяют между собой связующим полимером (смолами). Волокна делают изделия прочными, а смола придаёт стабильную форму. К тому же смола имеет устойчивость к влаге, химии, температуре. Получается, что материалы усиливают свойства друг друга. Именно поэтому карбон ещё часто называется «композитным».

Для пропитки используют разные смолы. Чаще всего эпоксидные: они дают самую высокую прочность. Полиэфирные применяют реже, в основном там, где важна стойкость к влаге, химии, а требования к нагрузке ниже. Винилэфирные — промежуточный вариант, сочетают свойства двух предыдущих.

Углеродные волокна делают из полиакрилонитрила. Полимер последовательно нагревают при высоких температурах, и материал превращается в тонкие нити, состоящие почти из чистого углерода. Внутри волокна атомы выстраиваются в плотную, ориентированную структуру — из-за этого нити выдерживают большие растягивающие нагрузки.

Технологии производства карбона в промышленности

Процесс производства углепластика состоит из нескольких этапов.

Полимеризация

На этапе полимеризации готовят основу будущего углеродного волокна — полимерные нити из полиакрилонитрила (ПАН). Сначала получают раствор полимера, затем через тонкие фильеры формуют нити, превращают их в первичное волокно. Оно ещё не углеродное: мягкое, легко деформируется.

После нити промывают, растягивают. Благодаря растяжению молекулы выравниваются, и материал становится прочнее по структуре.

Прядение

После получения раствора полимера нити формуют через фильеры — это и называется прядением. Существует два основных метода:

• мокрое;
• сухо-мокрое прядение.

В обоих случаях полимер проталкивают через тончайшие отверстия, и на выходе получают множество параллельных нитей. Затем эти нити промывают, растягивают. Растяжение делает волокно более прочным.

Стабилизация

Это обработка материала в присутствии кислорода при низких температурах (200–300°C). Процесс помогает сформировать структуру материала, повышает термостойкость.

Карбонизация

Карбонизация — это нагрев стабилизированного волокна в среде без кислорода при температурах от 1000 до 1500°C. На этом этапе удаляются почти все элементы, кроме углерода. Именно после карбонизации материал приобретает высокую прочность.

Диаметр углеродного волокна после обработки — примерно 4,5–10 мкм. Для сравнения: человеческий волос имеет толщину около 60–80 мкм.

Карбонизация нужна, чтобы увеличить содержание углерода до 90–96% (а при дальнейшей графизации — до 99%). Из таких волокон впоследствии формируют карбоновые ткани, композиты.

Обработка поверхности углеродных волокон

Материал подвергается воздействию газа или кислоты. Это процесс травления поверхности, который повышает способность материала соединяться со смолой при использовании композитного материала.

Калибровка

Калибровка — это нанесение аппрета (тонкого защитно-функционального покрытия), которое делает волокна более устойчивыми к повреждениям, уменьшает их спутывание, улучшает сцепление со смолой при дальнейшем использовании в композитах.

Финальный этап

Финальный этап — намотка на бобины нужного размера. Масса бобины обычно составляет от 1 до 4 кг, но при необходимости производитель делает другие варианты.

Хранение изделий на складах

Храниться бобинам нужно вертикально в упаковке на стеллажах или поддонах, вдали от солнечных лучей, резких перепадов температур. Помещения складов должны быть закрытыми. Влажность воздуха может быть не более 70%.

Маркировка углеродного волокна

Маркировка углеродного волокна по ГОСТу Р 58062–2018 указывает на количество нитей в жгуте (пучке волокон). Стандарт отмечает количество нитей: 1К, 3К, 6К, 12К, 24К, 50К. Буква «К» означает количество тысяч моноволокон в жгуте. Чем больше нитей, тем толще будет ткань. Например, 1К — ткань тонкая, гибкая, 12К — толстая, жёсткая.

Ткани делятся на три вида плетения и имеют свои обозначения. Но по требованию потребителя допускается и другое плетение.

Ткани производят в нескольких видах переплетения:

• полотняном (Plain);
• саржевом (Twill);
• сатиновом (Satin).

Ключевые свойства изделий

Углепластик имеет большую прочность, чем сталь, и выдерживает большие нагрузки на растяжение. В то же время он легче алюминия, поэтому его применяют для производства лёгких деталей там, где нужен малый вес. Материал устойчив к химии и солевым веществам, имеет долгий срок службы.

Материал выдерживает высокую температуру. Хорошая электрическая проводимость даёт возможность применять карбон для тепловых экранов, теплоизоляции. Углепластик легко обрабатывается (его можно резать, сверлить, шлифовать, штамповать). Ткань не подвержена воздействию моли, грибка, плесени.

В таблице указаны основные свойства углеродного волокна по ГОСТу Р 57407–2017.

Сравнение карбона с металлами

Углепластик отличается от других металлов прочностью, плотностью и другими свойствами. Рассмотрим на примере таблицы.

Промышленное применение углепластика

Разберём, в каких отраслях применение углепластика актуально:

• Авиация — высокая прочность и лёгкий вес позволяют делать детали для самолётов.
• Транспортная отрасль — делает лёгкие, прочные детали, причём не только для машин, но и для велосипедов, мотоциклов, спорткаров.
• Строительная — производят очень прочную арматуру, крепежи, несущие конструкции.
• В электронике, робототехнике — применение карбона для прочных корпусов, отдельных деталей.
• Спорт, хобби — производство удочек, клюшек для гольфа, луков, квадрокоптеров, дронов, теннисных ракеток.
• Для промышленного оборудования (ролики, валы, направляющие).

Изделия из карбона: от стандартных до высоконагруженных

Из углепластика делают стержни, трубки разного диаметра. Чаще всего их получают методом пултрузии: волокна пропитывают смолой, протягивают через форму, чтобы задать точный размер. Для более прочных деталей используют другой способ — послойную намотку. Такой метод позволяет выстроить направление нитей под задачу.

Готовые изделия применяют для усиления конструкций, стабилизации узлов, в различных механизмах, дронах, технических системах.

Трубы имеют красивый внешний вид (глянцевый, матовый, шахматные структуры, разные цвета). Их часто используют для декора.

Тонкие, очень прочные ленты, полосы применяют для элементов арматуры, в технике или строительстве. Их также изготавливают с помощью пултрузии. Карбоновые полосы прочные на растяжение, устойчивы к химической коррозии, износу.

Ограничения и особенности эксплуатации карбона

Карбон безопасен в готовом виде, но при его обработке важно учитывать класс опасности материалов. По ГОСТ 12.1.007–76 углеродные волокна относятся ко 2-му классу — это высокоопасные вещества при пылеобразовании (резке, шлифовке, сверлении). Поэтому при работе необходимо использовать СИЗ: респиратор, защитные очки, перчатки, вытяжку. В готовых изделиях (трубки, прутки, пластины) карбон не представляет опасности, потому что пыль не образуется.

Некоторые особенности при использовании:

• Хрупкость при ударах поперёк волокон.
• Сложность ремонта при повреждениях — придётся заменить всю деталь.
• Карбон хорошо держит форму, не гнётся, не пружинит.
• Плохо соединяется с металлом, другими материалами.
• Высокая стоимость карбоновых материалов, связующих смол.
• Использование мягких тканей, неагрессивных средств при уходе за карбоном.
• Нельзя применять кислоты, растворители, абразивные чистящие средства.
• Не рекомендуется сверлить, пилить — края могут начать крошиться.

Тенденции развития карбоновых материалов

Развитие карбоновых материалов идёт за счёт нескольких технологий. В производстве волокон повышают степень графитизации — это увеличивает модуль упругости без роста массы. Смолы делают термостойкими, поэтому волокна лучше пропитываются, меньше образуют дефектов. Автоматизированная намотка, роботизированная укладка и пултрузия сокращают стоимость. Для удешевления сырья используют переработанный карбон (recycled carbon fiber) — его очищают, перерабатывают в короткие волокна для технических изделий. Появляются термопластичные матрицы: такие композиты можно формовать быстрее и повторно перерабатывать.

Карбон выбирают там, где важны прочность, малый вес, срок службы деталей. Если вам нужно подобрать трубки, прутки или ленты под конкретный проект, удобнее всего посмотреть доступные позиции в каталоге МТК МАЗПРОМ. На сайте можно уточнить размеры, сравнить варианты, сразу оформить заказ. Для оптовых и постоянных клиентов предусмотрены специальные условия.

Поделиться: