carbon что это за материал
Карбон — что это такое
Что такое углепластик
Международное наименование Carbon — это углерод, из которого и получаются карбоновые волокна carbon fiber.
Но в настоящее время к карбонам относят все композитные материалы, в которых несущей основой являются углеродные волокна, а вот связующее может быть разным. Карбон и углепластик объединились в один термин, привнеся путаницу в головы потребителей. То есть карбон или углепластик — это одно и то же.
Это инновационный материал, высокая стоимость которого обусловлена трудоемким технологическим процессом и большой долей ручного труда при этом. По мере совершенствования и автоматизации процессов изготовления цена карбона будет снижаться. Для примера: стоимость 1 кг стали — менее 1 доллара, 1 кг карбона европейского производства стоит около 20 долларов. Удешевление возможно только за счет полной автоматизации процесса и сокращения времени его производства.
Применение карбона
Изначально карбон был разработан для спортивного автомобилестроения и космической техники, но благодаря своим отличным эксплуатационным свойствам, таким как малый вес и высокая прочность, получил широкое распространение и в других отраслях промышленности:
Гибкость углеродного полотна, возможность его удобного раскроя и резки, последующей пропитки эпоксидной смолой позволяют формовать карбоновые изделия любой формы и размеров, в том числе и самостоятельно. Полученные заготовки можно шлифовать, полировать, красить и наносить флексопечать.
Технические характеристики и свойства карбона
Популярность углепластика объясняется его уникальными эксплуатационными характеристиками, которые получаются в результате сочетания в одном композите совершенно разных по своим свойствам материалов — углеродного полотна в качестве несущей основы и эпоксидных компаундов в качестве связующего.
Армирующий элемент, общий для всех видов углепластика — углеродные волокна толщиной 0,005-0,010 мм, которые прекрасно работают на растяжение, но имеют низкую прочность на изгиб, то есть они анизотропны, прочны только в одном направлении, поэтому их использование оправдано только в виде полотна.
Дополнительно армирование может проводиться каучуком, придающим серый оттенок карбону.
Карбон или углепластик характеризуются высокой прочностью, износостойкостью, жёсткостью и малой, по сравнению со сталью, массой. Его плотность — от 1450 кг/м³ до 2000 кг/м³. Технические характеристики углеволокна можно посмотреть в с равнительной таблице плотности, температуры плавления и прочностных характеристик.
Кевлар—это американская торговая марка класса полимеров арамидов, родственных полиамидам, лавсанам. Это название уже стало нарицательным для всех волокон этого класса. Армирование повышает сопротивление изгибающим нагрузкам, поэтому его широко используют в комбинации с углепластиком.
Как делают карбоновые нити
Волокна, состоящие из тончайших нитей углерода, получают термической обработкой на воздухе, то есть окислением, полимерных или органических нитей (полиакрилонитрильных, фенольных, лигниновых, вискозных) при температуре 250 °C в течение 24 часов, то есть практически их обугливанием. Вот так выглядит под микроскопом углеродная нить после обугливания.
После окисления проходит карбонизация — нагрев волокна в среде азота или аргона при температурах от 800 до 1500 °C для выстраивания структур, подобных молекулам графита.
Затем проводится графитизация (насыщение углеродом) в этой же среде при температуре 1300-3000 °C. Этот процесс может повторяться несколько раз, очищая графитовое волокно от азота, повышая концентрацию углерода и делая его прочнее. Чем выше температура, тем прочнее получается волокно. Этой обработкой концентрация углерода в волокне увеличивается до 99%.
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 для углепластика 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 карбона содержится 3-4 слоя.
Достоинства и недостатки карбона
Более высокая цена карбона по сравнению со стеклопластиком и стекловолокном объясняется более сложной, энергоемкой многоэтапной технологией, дорогими смолами и более дорогостоящим оборудованием (автоклав). Но и прочность с эластичностью при этом получаются выше наряду со множеством других неоспоримых достоинств:
Но по сравнению с металлическими и деталями из стекловолокна карбоновые детали имеют недостатки:
Как делают карбон
Существуют следующие основные методы изготовления изделий из углеткани.
1. Прессование или «мокрый» способ
Полотно выкладывается в форму и пропитывается эпоксидной или полиэфирной смолой. Излишки смолы удаляются или вакуумформованием, или давлением. Изделие извлекается после полимеризации смолы. Этот процесс может проходить как естественным путем, так и при нагреве. Как правило, в результате такого процесса получается листовой углепластик.
2. Формование
Изготавливается модель изделия (матрица) из гипса, алебастра, монтажной пены, на которую выкладывается пропитанная смолой ткань. При прокатке валиками композит уплотняется и удаляются излишки воздуха. Затем проводится либо ускоренная полимеризация и отверждение в печи, либо естественная. Этот способ называют «сухим» и изделия из него прочнее и легче, чем изготовленные «мокрым» способом. Поверхность изделия, изготовленного «сухим» способом, ребристая (если его не покрывали лаком).
К этой же категории можно отнести формование из листовых заготовок — метод препрегов.
Смолы по своей способности полимеризоваться при повышении температуры разделяются на «холодные» и «горячие». Последние используют в технологии препрегов, когда изготавливают полуфабрикаты в виде нескольких слоев углеткани с нанесенной смолой. Они в зависимости от марки смолы могут храниться до нескольких недель в неполимеризованном состоянии, прослоенные полиэтиленовой пленкой и пропущенные между валками для удаления пузырьков воздуха и лишней смолы. Иногда препреги хранят в холодильных камерах. Перед формованием изделия заготовку разогревают, и смола опять становится жидкой.
3. Намотка
Нить, ленту, ткань наматывают на цилиндрическую заготовку для изготовления карбоновых труб. Кистью или валиком наносят послойно смолу и сушат преимущественно в печи.
Во всех случаях поверхность нанесения смазывается разделительными смазками для простого снятия получившегося изделия после застывания.
Можно ли сделать углепластик своими руками
Где брать углеткань
Тайвань, Китай, Россия. Но в России это относится к «конструкционным тканям повышенной прочности на основе углеволокна». Если найдете выход на предприятие, то вам очень повезло. Много компаний предлагают готовые наборы для отделки автомобилей и мотоциклов карбоном «Сделай сам», включающих фрагменты углеткани и смолу.
70% мирового рынка углеткани производят тайваньские и японские крупные бренды: Mitsubishi, TORAY, TOHO, CYTEC, Zoltec и пр.
Надеемся, вы нашли исчерпывающий ответ на вопрос «Что такое карбон»?
Из чего делают ткань карбон и где используется этот материал?
Свойства и особенности ткани
Физико-механические
Гигиенические
Легкость и удивительная прочность карбона достигается специфической тепловой обработкой. Оказывается, можно «запекать» один вид волокна, чтобы получилась принципиально новая нить.
Тип и общее описание материала
Ткань карбон (углеродная ткань или углепластик) представляет собой композиционный технический материал, который производится из углеродных волокон диаметром от 5 до 10 микрометров, в свою очередь получаемых в результате термической обработки в инертной среде органических волокон.
Под воздействием высоких температур атомы углерода, связанные в микроскопические кристаллы, выравниваются вдоль оси волокна. Несколько тысяч связанных вместе углеродных волокон образуют жгут, который можно использовать самостоятельно или для плетения ткани.
Одной из главных характеристик карбона является его термическая стойкость. Материал сохраняет все свои параметры даже при нагревании 1500-2000 градусов (при отсутствии во внешней среде кислорода).
Углеродные волокна, необходимые для армирования полотна, обычно комбинируют с другими материалами, чтобы сформировать композит.
Карбон широко применяются во многих отраслях промышленности, гражданском строительстве, аэрокосмической области, в военном деле, автоспорте и пр. Однако эти ткани относительно дороги в сравнении с материалами, произведенными из стекловолокна или пластмассовых волокон.
Мировыми лидерами в производстве углеродных тканей являются США, Япония, Германия, Италия, Франция, Китай. В России карбон производится в Челябинске (завод композиционных и углеродных материалов), в Саратовской области и Москве (НПЛ «Химинжиниринг»)
История происхождения
Впервые углеродные волокна произвел в 1860 году американец Джозеф Свон. В 1879 году Томас Эдисон «выпекал» в углеродные волокна хлопковые и бамбуковые нити, используя их в одной из первых электрических ламп накаливания.
В 1958 году Роджер Бэкон из Огайо создал углеродные волокна путем нагревания до карбонизации шелковых нитей. Однако волокна содержали только 20% углерода и были недостаточно прочными и жесткими.
Но уже в начале 1960-х другой американец, Ричард Миллингтон, разработал способ производства почти полностью (99%) состоящего из углерода волокна с использованием в качестве прекурсора вискозы.
В конце 1960-х мировыми лидерами в производстве углеродных волокон стали японцы. Тогда же в качестве альтернативного сырья начал применяться нефтяной пек, полученный при переработке нефти.
Состав и свойства ткани
Сегодня понятие «карбоновая ткань» включает в себя все композитные полотна, несущая основа которых образована углеводородными волокнами. Их прекурсорами являются полиакрилонитрил, вискоза и синтетическая смола (как правило, эпоксидная или полиэфирная), используемая в качестве связующего материала.
Тонкие нити углерода трудно порвать, они выдерживают даже очень сильное натяжение, но их достаточно легко сломать. Именно поэтому углеродные волокна используются, в основном, только в виде полотна. Внешний вид этой ткани обычно зависит от линейной плотности пряжи и выбранного типа переплетения. Самые распространенные виды переплетения — саржа, атлас и полотняное. Пряжа из углеродных волокон также может быть связанной или плетеной.
Помимо термостойкости, карбон отличается:
Карбон – ткань технического предназначения, состоящая из углеродных волокон. Превосходит традиционные металлы по многим характеристикам. При крайне малом весе обладает сверхпрочностью, высокой стабильностью и сопротивляемости усталости. Благодаря таким свойствам, карбон незаменим во многих областях: ракето- и авиастроении, энергетике, строительстве, профессиональном спорте.
Описание и суперсвойства ткани
Карбон – это технический материал, сплетенный из тонких нитей углерода и скрепленных клеящими составами. Цвет ткани обычно черный, но чаще с серыми включениями.
На поверхности четко прослеживается геометрический рисунок, образуемый переплетением нитей. Узор бывает разным, все зависит от примененной ткацкой техники.
Карбон необычайно легкий, одновременно прочный, устойчивый к сверхвысоким температурам, механическим нагрузкам. Хорошо укладывается на выпуклые поверхности, поддается резке, долго служит без ущерба свойствам и внешнему виду.
Факт. Детали из карбоновой ткани жестче конструкционной стали на 14 %, алюминия – на 18%.
Изготовление и состав
Карбоновое полотно делают из тончайших нитей углерода диаметром 3-15 мкм, которые получают из полимерных материалов или органических волокон методом окисления, т. е. термической обработкой. Обугливание проводится в воздушной среде на протяжении суток при постоянной температуре 250 °C.
Затем углеродное волокно подвергают карбонизации. Материал помещают в автоклав с инертным газом, прокаливают при 800-1500 °C. Во время термической обработки происходит пиролиз: из волокон уходят летучие компоненты, а в структуре образуются новые связи. Далее готовый продукт проходит графитизацию – максимальное насыщение углеродом в автоклаве с инертным газом при 1600-3000 °C. Чем выше температура и дольше процесс, тем качественней, прочней становится волокно.
В зависимости от примененной технологии углеродные нити бывают резаными короткими или непрерывными (наматываются на бобины).
Изготовление углепластиковой ткани начинается с карбоновой сетки, для которой используются разные способы плетения: полотняное, саржевое, жаккардовое, сатиновое. Чтобы придать углепластику прочность и надежность, нити укладывают под определенным углом, меняя его каждый раз в следующем слое.
Готовое основовязаное полотно карбона скрепляют клеящими составами. Обычно применяются различные смолы: полиэфирные, винилэфирные, эпоксидные.
В производстве карбоновой ткани используют два метода:
| Способ | Особенности |
|---|---|
| Мокрый | Подготовленную сетку из волокон укладывают в автоклав в специальную форму. Пропитывают эпоксидными смолами, затем подвергают давлению свыше 10 атм. и полимеризации при 150 °C |
| Сухой | Для отвержения волокон используют более высокое давление – до 32 атм., температуру 200 °C. Благодаря этому получают карбон слоем 0,5 мм – тоньше, чем при мокром способе. |
Справка. Углеродные нанотрубки – усовершенствованный вид углепластика. Небольшой отрезок нити диаметром 1 мм выдерживает груз 20 т!
В зависимости от предназначения основовязаной ткани, углеродные волокна подвергаются дополнительному армированию. Процесс проводят с помощью каучука, кевлара, пр. материалов.
Сильные и слабые стороны
Углеродная ткань обладает массой преимуществ по сравнению со стеклопластиком и другими материалами. Стоимость ее выше, поскольку производится по сложной многоступенчатой технологии с использованием дорогостоящих добавок на специальном оборудовании.
Карбон. Свойства и применение. Плюсы и минусы. Особенности
Карбон – это полимерный очень прочный композитный материал, состоящий из эпоксидной или другой смолы, и армированный углеродными волокнами. Также его называют углепластиком или карбонопластиком. Главная особенность композита в высокой прочности при небольшой толщине и легкости.
Что такое карбон, как его получают
Углепластик является сложным композитным материалом, при изготовлении которого требуется прикладывание ручного труда. В связи с этим цена на него примерно в 20 раз выше, чем на качественную сталь европейского производства.
Вся сложность процесса его изготовления заключается в применяемом армирующем компоненте – углеволокне. Оно представляет собой тончайшие нити, практически на 99% состоящие из атомов углерода. Их получают путем сложного сжигания органических волокон с поэтапным поднятием температуры. В результате от них остается только углерод, который меняет свою структуру, приближаясь к графиту.
Нити углеволокна имеют толщину всего 0,005-0,10 мм. Они тоньше, чем человеческий волос. Каждую из них по отдельности очень легко сломать, но трудно разорвать. Из волокон сплетают полотна, которые и применяются для изготовления карбона.
Углеволокно работает как армирующий компонент карбона. Из него изготавливаются различные тканые и нетканые материалы. Такие холсты пропитываются полимерными смолами, чаще всего эпоксидными. Слои углеволокна наклеиваются друг на друга. В итоге по застыванию смолы, композитный материал приобретает повышенную прочность, гибкость и стойкость к излому. Практически нет аналогичных композитов, которые можно сопоставить по этим качествам с карбоном. Ему уступает стеклопластик и прочие аналоги.
Сфера использования
Изначально карбон был предназначен исключительно для изготовления облегченных деталей спортивных гоночных автомобилей, а также космических аппаратов. Позже себестоимость его производства снизилась достаточно, чтобы применять его и для других целей.
Сейчас из него делают:
Технологии изготовления карбоновых изделий
Чтобы получить карбон, необходимо пропитывать слои ткани из углеволокна смолой, и склеивать их между собой. Это можно делать тремя основными способами:
Чаще всего пользуются самым простым способом, заключающимся в наклейке холста на поверхность. Затем он пропитывается сверху смолой, и на него вклеивается следующий слой. Таким образом, набирается нужное количество слоев, чтобы достигнуть требуемого уровня прочности материала и его толщины. Этим методом пользуются в домашних условиях особенно часто, так как для него не требуется особый инструмент и различные приспособления. Смола наносится на углеволокно кистью, тщательно пропитывая ее. Стоит отметить сложность и кропотливость процесса. Зачастую чтобы получить слой карбона толщиной всего в 1 мм, нужно клеить холст в 4 слоя.
Изделия из углекарбона на производствах зачастую получают методом прессования. Это позволяет добиться лучшего удаления воздуха между слоями. В итоге готовое изделие получается более прочным и надежным. Преимущество метода еще и в том, что спрессованная заготовка может разогреваться, для ускоренной полимеризации смолы. При этом благодаря прессу композит будет все время держать правильную форму, пока не затвердеет. Эта технология дает более высокую производительность.
Также изделия их карбона цилиндрической формы можно получать методом намотки. Эта технология подходит как для заводского, так и домашнего производства. Именно этим методом делаются удилища для рыбалки, спиннинги, рамы велосипедов и т.д. Холст углеволокна наматывается на трубку, и пропитывается смолой. В итоге достаточно быстро набирается большое количество слоев, которые в итоге дают высокую прочность изделию. Трубка же, на которую все изначально наматывалось, вынимается. Чтобы она не приклеилась, ее предварительно смазывают специальным разделительным составом. Тогда адгезии смолы к ней не происходит.
Преимущества карбона
Карбон это очень востребованный материал, что обусловлено его положительными качествами:
Изделия из карбона нельзя назвать легкими, но если сравнивать его с металлами такого же объема, то он неоспоримо легче. К примеру, сталь тяжелее на 40%, а алюминий на 20%. Но нужно сразу же отметить прочность карбона. Из него можно делать тонкие изделия и использовать в таких условиях, в которых бы не справились аналоги из стали такой же толщины.
Материал обладает очень высокой термической стойкостью. Отдельные образцы карбона нормально переносят нагрев до температур до +2000С. Само углеволокно легко переносит такие условия, но только в бескислородной среде. Но так как оно находится в толще застывшей смолы, то не контактирует с воздухом. В конечном итоге температурная стойкость карбона продиктована больше свойствами смолы, из которой он изготавливается.
Материал не ржавеет и не подвергается другим видам коррозии. Это делает его альтернативным решением для применения вместо стальных изделий в сложных условиях. Он нормально переносит воздействие ультрафиолета, так что может эксплуатироваться практически где угодно.
Карбон является очень упругим материалом, который сложно сломать. За счет этого он так ценится при изготовлении различного спортивного инвентаря. Не последнюю роль в этом играет и его сравнительная легкость, и то что изделия из него за счет прочности можно делать меньшего сечения, чем из дерева, металла или другого пластика. Высокий предел упругости подтверждают хоккейные клюшки, теннисные ракетки и луки, которые делают из карбона.
Качество карбона во многом зависит от того, каким образом был сделан холст из углеволокна, и во сколько слоев уложен. Дело в том, что ориентируя направление волокон в слоях можно добиваться большей стойкости готового изделия на воздействие под определенным углом. Так можно корректировать упругость и стойкость на излом.
Недостатки карбона
Карбон является весьма ценным материалом, поэтому изделия из него очень качественные. Они более удобные в эксплуатации, однако, все же не идеальные. Проблема в том, что материал боится ударной нагрузки. От этого на нем появляются трещины и сколы. Зачастую они незаметны, но их появление существенно уменьшает прочностные характеристики композита. Зачастую достаточно деформации карбона даже на 0,5%, чтобы вызвать его структурные нарушения. Однако это не означает, что в итоге изделие из него покроется видимыми трещинами и сколами, а потом сразу же сломается. В композите просто появляются микротрещины, но он все равно остается достаточно прочным, чтобы справлялся с теми задачами, которые перед ним стоят.
Качество композита может сильно отличаться, так как напрямую зависит в первую очередь именно от применяемого углеволокна. В процессе его получения нарушить технологию нельзя, в частности не допускается делать даже небольшое отклонение в температурном режиме или продолжительности воздействия на него, так как прочность готового армирующего компонента снижается. В итоге карбон из него также будет менее стойким на излом. Таким образом, стоимость на композитные изделия из карбона разных производителей существенно отличается.
Материал все же не разлетается на осколки при ударах, так как его части удерживаются между собой слоями из углеволокна. Проблема композита в том, что в нем сложно найти баланс между эластичностью и упругостью. Если он отлично переносит воздействие на разрыв, то зачастую достаточно легко ломается при прикладывании усилия на излом. В связи с этим существует большой процент изделий из карбона, которые в результате нарушения расчетов при изготовлении служат не так долго как заявлено для этого композита. Это яркое подтверждение того, почему одни предметы из карбона стоят в разы дороже, чем на первый взгляд такие же других производителей.
Карбоновые пленки
Высокая стоимость карбона, не позволяет его использовать в направлениях, где это экономически нецелесообразно. Композит имеет очень привлекательный внешний вид, поэтому не нуждается в декорировании. По причине его внешних качеств, производятся различные полимерные пленки, имитирующие карбон. При этом они сами по себе им не являются. Это просто декоративные изделия, похожие на него внешне за счет характерного рисунка.
Никакого увеличения прочности поклейка такой пленки не дает, так как она далека от карбона. Она просто обеспечивает декоративный эффект, а также дает некоторую защиту от влаги. По сути это просто слой декорации, ничего более. Так что не стоит путать композит и карбоновую пленку.