[REVVED] Карбон: урок по композитным материалам
Ах, этот карбон! Это черное волокно с шелковистой поверхностью. Уложенный на поверхности со сложной геометрией, этот соблазнительный материал является предметом вожделения и фетишем многих продвинутых поклонников гоночных каров. Карбон – это не просто показной блеск, имитирующий виниловую «обертку» или текстурное покрытие деталей из ABS пластмассы. Вовсе нет. Это высокотехнологичный материал, имеющий конкретные качества, способы применения, недостатки и характеристики. Если речь заходит о карбоне, мы неизменно говорим об экономии веса, о прочности, жесткости и эстетике. И хотя все эти факторы имеют место быть, существует много заблуждений об этом шелковистом на ощупь и простейшем по своему составу материале.
Техническая составляющая любых разговоров о композитных материалах представляет собой огромное «поле», в котором непрерывно ведутся научные исследования и постоянно совершаются различные открытия. Мы собираемся затронуть всего лишь некоторые основы и, надеемся, сможем пополнить ваш запас знаний об этой удивительной технической ткани.
Карбон – это техническая ткань, состоящая из тысяч переплетенных между собой углеродных волокон, образующих ту самую ткань. Карбон выпускается в виде тканей с самыми разнообразными переплетениями в зависимости от целевого применения и является всего лишь одной частью конструкционных материалов, включающих в себя много частей, которые известны всем, как композитные материалы. Композиты производятся из составляющих, которые объединяют в себе качества разных материалов, а целью является отсутствие жесткости или получение прочности. В случае с карбоном, стекловолокном, Кевларом или другими аналогичными тканями, композитный материал, о котором идет речь, носит название «FRP» (Fiber Reinforced Polymer – полимер, армированный волокнами). В производстве такого полимера ткань используется для того, чтобы «усилить» конструкционную жесткость смолистого подслоя. Смола обеспечивает прочность композита, а карбон добавляет структурную целостность пластику, который в ином случае будет хрупким.
Как производится карбон?
Карбон (углеволокно), как видно из его названия, это ткань, состоящая только из угля и не имеющая иных элементов в своем составе. Но начинать производство просто с карбона и с создания ткани с переплетениями волокон было бы настоящим, но труднодостижимым, подвигом. Вместо использования карбона в качестве сырья, заводы по производству текстиля начинают с пластмасс с более сложным молекулярным составом, где толщина нити меньше толщины человеческого волоса. Затем требуется выполнить ряд определенных действий, начиная от термообработки и заканчивая химической обработкой. Окончательным результатом этих сложных процессов является доводка состава полимерных материалов до его самой эмпирической формы – формы чистого карбона.
Карбон часто замеряется и продается с ориентиром на несколько критериев, на тип плетения волокон, на абсолютные значения (измерение прочности отдельно взятого волокна) и вес ткани. Все замеры идут в унциях на квадратный ярд, плюс указывается количество волокон (обычно в диапазоне от 3 000 до 12 000 волокон).
Какие существуют типы переплетения?
Однонаправленное плетение подразумевает направление всех карбоновых жгутов (волокон) в одном и том же направлении. Плетение в этом стиле не является видимым невооруженному глазу. Поскольку плетение, как таковое, отсутствует, нити волокна необходимо как-то удерживать вместе. И в этом случае необходимо протягивать другую нить по диагонали или перпендикулярно так, чтобы ткань оставалась гладкой и равномерной (и этот элемент плетения не является конструкционным). В результате того, что жесткость ткани обеспечивается только в одном направлении, такой тип плетения редко применяется в автоспорте, где нагрузка может идти в любом направлении.
Двунаправленное плетение волокон:
Карбон двунаправленного плетения – это базовый и наиболее часто встречающийся тип переплетения волокна. Жгуты переплетаются друг с другом под требуемым углом, за счет чего ткань получает структуру типа «шахматная доска», где нити полотна прокладываются боком и по вертикали. В этом случае все волокна направлены таким образом, чтобы нагрузка могла налагаться в любом направлении, при этом композитный материал должен сохранять свою прочность.
Плетение по диагонали в две через две нити
Плетение по диагонали в две через две нити – это самый распространенный тип плетения карбона, который повсеместно применяется в автоспорте. Это плетение немного сложнее по сравнению с двунаправленным волокном, поскольку две нити проходят над другими двумя нитями, либо одна над двумя или две над одной. В результате такого переплетения нитей на ткани создается рисунок «елочка». Из-за того, что плетение две через две нити по диагонали идет как с вертикальными, так и с горизонтальными нитями (нить основы и уток), ткань становится очень гибкой и может принимать различные сложные формы. При работе с карбоном этого типа плетения не требуется выполнять такие работы, как «пакетирование», «растягивание» или резка.
Плетение по диагонали в четыре через четыре нити
Аналогично плетению по диагонали в две через две нити, а именно в четыре через четыре нити, этот тип относится к двустороннему переплетению по диагонали, где один жгут включает в себя четыре нити. В результате ткань не настолько плотная по сравнению с плетением в две через две нити, но в случае с изогнутыми поверхностями достигается лучший коэффициент покрытия, поскольку между фактическими точками переплетения «над и под» расстояние больше, что эффективнее, поскольку в этом случае достигается меньшее количество жестких швов. Благодаря этому покрытие карбоном изогнутых литых форм становится простым.
Прорезиненная карбоновая ткань – это очень специфический способ изготовления ткани, который встречается намного реже по сравнению со всеми типами плетения, которые мы обсуждаем. Прорезиненное плетение волокон означает, что каждая прядь состоит от 3000 до 12000 нитей, при этом каждая нить выкладывается плотно в ряд, одна за другой, образуя тончайшую карбоновую ленту. Стандартные пряди соединяются вместе посредством нескольких слоев карбоновых нитей. Прорезиненную ткань можно определить за счет наличия широких открытых участков. За счет шахматного порядка двунаправленного карбонового волокна со структурой прорезиненной ткани образуются квадратные участки размером один дюйм.
Карбон так же доступен в форме слоистого карбонопласта с предварительной обработкой. Если вам нужен блок, пластина, труба или другая форма, вы можете приобрести слоистый карбонопласт, изготовленный заводским способом.
Слоистые композиты могут включать в себя разнообразные материалы, а не только карбон: например, Кевлар, металлы, металлические или полимерные пены, сотопласты и т.д.
Слоистые блоки могут проходить механообработку, чтобы получить в итоге цельные детали из композитных материалов, внешне напоминающих слоистый песчаник.
Поскольку за счет крупного размера этих участков переплетения ткань теряет в своей плотности, точки плетения «над и под» находятся на большом расстоянии друг от друга. Итак, точки пересечения нитей находятся на расстоянии друг от друга, частота изменения направления сильно снижена, и ткань может намного плотнее прилегать к поверхности.
Поскольку слой ткани намного тоньше, можно накладывать слой поверх другого слоя и тем самым достичь необходимых прочностных характеристик. Этот тип карбона часто используется в тех сферах, где аэродинамические характеристики преобладают над прочностными. Прорезиненная ткань имеет внешний вид, отличный от стандартного, который сразу вызывает или любовь, или ненависть.
Эпоксидная смола – это самая распространенная многоцелевая структурная смола. Как и в случае с практически всеми типами смол, это двухкомпонентный раствор из смолы и катализатора. Время реакции варьируется, но при этом напрямую зависит от условий окружающей среды. Срок годности (рабочее время), в основном, составляет от пяти до тридцати минут. В общем, тепловое воздействие всегда ускоряет процесс «созревания», но весь процесс схватывания обычно занимает, ни много, ни мало, а целые сутки (24 часа) – если на смесь никак не воздействовать. По сравнению с полиэфирной смолой эпоксидная смола отличается более высокой прочностью, но требует терпения при работе с ней.
Полиэфирная смола – это более дешевая альтернатива эпоксидной смоле, с быстрым временем схватывания. В основном, она используется в тех ситуациях, когда структурная целостность уступает эстетической стороне вопроса, как утверждают специалисты с сайта easycomposites.co.uk: «Тем не менее, существуют ситуации, в которых многослойная структура имеет наименьшее значение, а такие свойства, как внешний вид, стойкость к УФ излучению и цена, стоят на первом месте по своей значимости».
Препреги (ткани с предварительной пропиткой)
http://www.easycomposites.co.uk/
Некоторые ткани из карбона могут выпускаться, как предварительно пропитанные раствором смолы, где катализатором выступает термообработка. Препреги используются во многих промышленных сферах, занятых производством композитов, поскольку их применение не требует выполнения каких-то сложных процессов, а при непосредственной работе беспорядок сведен к минимуму: нужно всего лишь смешать смолы и уложить влажную ткань слоями.
Препреги также являются предпочтительным материалом в тех сферах промышленности, где вес играет важную роль. К таким сферам относится авиация, где большая часть от массы деталей приходится на смолу, а не на ткань. С учетом того минимума, который нужен для тщательной и равномерной пропитки ткани смолой, препрег может применяться для создания самой прочной и легковесной конструкции.
Для достижения фактурности используется обычная малярная кисть, с помощью которой смола наносится на ткань внутри формы.
Традиционно небольшие детали выкладываются во влажном состоянии, вместе с вогнутой формой, затем создается пробка (но это уже другая история). Сухая ткань размещается внутри формы. Смола наносится малярной кистью до тех пор, пока ткань не будет ей насквозь пропитана или насыщена. Следующие слои ткани кладутся поверх первого слоя, при этом нужно соблюдать направление плетения: 45 градусов для двунаправленного плетения и 90 градусов для ткани с саржевым переплетением. Если слои ткани не совпадают по направлениям, на выходе деталь потеряет свою жесткость по одной оси, а по другой будет слишком усилена.
Формовка с помощью вакуумного мешка помогает удалять воздушные пузырьки и излишки смолы с поверхности композитных деталей.
Уложив, таким образом, столько слоев ткани, сколько необходимо для получения нужной толщины, излишек смолы соскребается с помощью скребка так, будто вы убираете воду со своего ветрового стекла. Затем деталь подвергается обработке в вакуумном мешке под низким давлением. В результате смола заполняет все оставшиеся воздушные пустоты, вытесняя тем самым мельчайшие воздушные пузырьки, а излишки смолы уходят.
Автоклавы – это духовки, внутри которых происходит затвердевание деталей из композитных материалов.
В некоторых случаях все эти манипуляции выполняются в обратном порядке. Сухая ткань подвергается обработке в вакуумном мешке в форме, и только затем наносится смола. Благодаря этому методу отходы и грязь отсутствуют. На финальном этапе проходит термообработка. Все детали «запекаются» внутри духовки под давлением, так называемом автоклаве, и смола полностью схватывается.
Хотя большинство не имеет доступа к специализированному оборудованию, такие процедуры, как обработка в вакуумном мешке и запекание в автоклаве являются факультативными для рабочих деталей, структура которых не должна отвечать специфическим требованиям.
Карбон набрал свою силу в автомобильной сфере промышленности. На вторичном рынке карбон – это материал, который чаще всего используется для покрытия деталей. Кузовные детали, детали для внутренней отделки салона – и все это выполнено из карбона, который обеспечивает автомобилю внешний вид высочайшего класса. Функционально детали из карбона применяются практически во всех сферах – начиная от автомобильной промышленности, продолжая судостроением и заканчивая авиацией.
Карбон используется в постройке гоночных кресел, карданных валов, таких защитных приспособлений, как шлемы и средства пассивной безопасности (подголовники), и даже технология производства составных пружин начинает применять карбон для систем подвесок.
Карбон также служит для покрытия труб, обеспечивая тем самым необходимую прочность на разрыв.
Карбон – это не панацея
Привлекательность карбона настолько высока для многих, что сегодня существует тенденция неверного использования этого материала в тех сферах, где наилучшим решением до сих пор является металлический сплав. Карбон, а особенно смола, плохо переносят работу в высокотемпературной среде, с теплозащитой, с компонентами выхлопной системы или любыми другими деталями двигателя. Когда в этих случаях карбон выбирается в качестве исходного материала, следует очень тщательно проводить оценку рабочих условий. Существуют жаропрочные смолы, но сфера их применения до сих пор имеет свои ограничения.
Слабым местом любых композитов являются повреждения при ударе.
Карбон является проводимым материалом! Чистый карбон чрезвычайно эффективно передает тепло сам по себе. Например, капот автомобиля, выполненный из карбона, может очень быстро нагреваться на солнце до нескольких сот градусов. Ультрафиолетовые лучи могут повредить композит: придать ему желтый оттенок или стать причиной растрескивания смолы, поэтому деформация является распространенным дефектом. В авиации многие запчасти из карбона покрываются глянцевой белой краской, поскольку тепло, образующееся от воздействия УФ лучей, может деформировать раму, оказать негативное воздействие на аэродинамические характеристики. Кроме того, УФ лучи могут как-то иначе изменить структуру самолета.
Карбон – это еще и электропроводящий материал. Возможно, вас смутит то, каким же образом композит на основе пластмассы может вдруг стать электропроводящим, но ткань из чистого карбона «прокладывает» своеобразный путь электричеству, даже если карбон обогащен изоляционным полимером. Когда карбон выбирается в качестве поверхности для электроники или в качестве кожуха охлаждающего вентилятора, убедитесь в наличии заземления, которое не должно «проходить» через карбон. Анекдот из жизни: мы как-то были свидетелями чуть не начавшегося возгорания в двигателе владельца грузовика Geiser Trophy, поскольку он просто-напросто не верил, что карбон является проводимым материалом, а возгорание смолы – это вам не шутки.
Ткань из карбона является электропроводящим материалом. Фото любезно предоставлено SAE.
Если стекловолокно когда-нибудь попадало вам на кожу, то вы знаете, как сильно раздражают эти невидимые глазу частички. А карбон гораздо хуже! Избегайте прикасаться голыми руками к рваным краям карбона и к рубленому волокну.
Запрещено сгибать ткань из карбона, хранить его можно только в рулонах.
При заказе ткани из карбона важно убедиться, что он поставляется в рулонах, как оберточная бумага. Карбон, упакованный «сложениями», будет иметь загибы и, в результате, конструкционная целостность его загнутых волокон будет нарушена. Соблюдайте эти инструкции при работе с материалом, и храните ткань в чистоте во избежание появления пыли и жирных отпечатков пальцев, обеспечивая при этом максимально правильную укладку. Смешивать смолу необходимо в небольших емкостях, что является нормой. Будьте внимательны, смолу нельзя смешивать в емкостях, покрытых воском. Воск вступает в реакцию со смолами, в результате чего смола затвердевает. Затвердевание смолы – это экзотермическая реакция, что значит нагнетание тепла в качестве побочного продукта в результате химической реакции. Смешивая большое количество смолы, убедитесь, что ее излишки находятся вне зоны хранения горючих материалов, иначе существует высокий риск возникновения пожара.
Объем базовых знаний, которые мы даже не затронули в этой статье, просто огромен. Но мы надеемся, что этот общий обзор помог вам лучше представить себе, что такое карбон. Это крайне универсальный и прочный материал, если с ним обращаться с умом. Но если его использовать неверно, он становится самым настоящим бельмом на глазу. Создание простых деталей в домашних условиях не представляет собою никаких сложностей, но приготовьтесь выделить немного больше времени на работу с ним по сравнению со стекловолокном. Учитывайте в своем проекте все – цели, бюджет. И только потом принимайте решение, является ли карбон правильным выбором или вам просто хочется добавить эстетики своему автомобилю?
Цветной кевлар и карбон – это один из способов «приодеть» композитные детали собственного производства.
Углеткань (карбон) свойства и характеристики
ВВЕДЕНИЕ
Композитные (композиционные) материалы — это искусственные материалы, получаемые сочетанием компонентов с различными физическими и/или химическими свойствами, которые, в сочетании, приводят к появлению нового материала с характеристиками, отличными от характеристик отдельных компонентов. Одним из компонентов является матрица (основа), другим — упрочнители (волокна, частицы, нити, хлопья). В качестве матриц используют полимерные, металлические, керамические и углеродные материалы. Упрочнителями служат волокна — стеклянные, борные, углеродные, органические, нитевидные кристаллы (карбидов, берилов, нитридов и др.) и металлические проволоки, обладающие высокой прочностью и жесткостью. Примеры композиционных материалов: пластик, армированный борными, углеродными, стеклянными волокнами, жгутами или тканями на их основе; алюминий, армированный нитями стали, бериллия, клееная фанера и пр. Среди композиционных материалов можно выделить углепластики.
Впервые получение и применение углеродных волокон было предложено и запатентовано известным американским изобретателем — Томасом Алва Эдисоном в 1880 году в качестве нитей накаливания в электрических лампах. Эти волокна получались в результате пиролиза хлопкового или вискозного волокна и отличались хрупкостью и высокой пористостью и впоследствии были заменены вольфрамовыми нитями. В течение последующих 20 лет Эдисон же предложил получать углеродные волокна на основе различных природных волокон.
Понадобилось несколько десятков лет, прежде чем к углеродным волокнам вновь возник интерес. Поводом послужило получение углеродного волокна из искусственных волокон. В 1958 году волокна из вискозы уже вырабатывались в значительных количествах. В 1959 году союз химических объединений выпускает в продажу высокомодульное углеродное волокно, полученное путем высокотемпературной обработки целлюлозы. Это резко повысило интерес к нему.
Основные сведения
Углепластик (или карбон, карбонопластики, от англ. carbon — углерод) — это композиционный многослойный материал, представляющий собой полотно из углеродных волокон в оболочке из термореактивных полимерных (чаще эпоксидных) смол.
Международное наименование Carbon – это углерод, из которого и получаются карбоновые волокна carbonfiber.
В настоящее время к карбонам относят все композитные материалы, в которых несущей основой являются углеродные волокна, а вот связующее сможет быть разным. То есть 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 его стоимость 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.
Углепластик как относительно новый класс полимерных композитных материалов (ПКМ) получил в последние годы наиболее интенсивное развитие благодаря своим уникальным свойствам, а именно:
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.
Основная составляющая часть углепластика — это нити углерода. Такие нити очень тонкие (примерно 0,005-0,010 мм в диаметре), сломать их очень просто, а вот порвать достаточно трудно.Углеродные волокна имеют важную особенность – они практически на 100 % состоят только из атомов углерода, благодаря чему имеют черный цвет.
Углеродные нити 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.
Из этих нитей сплетаются ткани. Они могут иметь разный рисунок плетения (ёлочка, рогожа и др.).
Для придания ещё большей прочности ткани из нитей углерода кладут слоями, каждый раз меняя угол направления плетения. Слои скрепляются с помощью эпоксидных смол.
Нити углерода обычно получают путем термической обработки химических или природных органических волокон, при которой в материале волокна остаются главным образом атомы углерода. Термическая обработка состоит из нескольких этапов:
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 CarbonFabric. Оно получается различными видами плетения: елочкой, рогожой и пр., имеющими международные названия, наиболее распространены Plain, Twill, Satin. Иногда волокна просто перехвачены поперек крупными стежками до заливки смолой.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. 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.
Связующие
В качестве матриц (связующих) при изготовлении различных конструкций используются преимущественно эпоксидные и 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 затвердевания смолы называют полимеризацией.
До момента отверждения связующее остается вязкотекучей жидкостью. В определенных условиях (при повышении температуры, добавлении инициирующих 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 изготовления ПКМ.
В зависимости от формы и геометрических размеров детали применяются соответствующие методы формования: прессование, автоклавное формование, намотка, пултрузия, вакуумное или пресскамерное формование, пропитка под давлением. Главное в технологическом процессе — обеспечить выполнение требований к основным технологическим параметрам проведения режима формования (температура формования и скорость подъема температуры, величина и время приложения давления формования, время выдержки на отдельных режимах формования, скорость и температура охлаждения).
Технология изготовления углепластика
Углероное волокно является основой для производства углепластиков (или карбона, карбонопластиков).
Существуют следующие основные методы изготовления изделий из углеткани:
Во всех случаях поверхность нанесения углепластика смазывается разделительными смазками, чаще всего восковыми составами для простого снятия получившегося изделия после застывания.
Применение углепластиков
Углепластик (карбон) имеет невероятно широкую сферу применения. Углеродные материалы и изделия из них можно встретить в самых разнообразных отраслях промышленности.
Композитные материалы интенсивно входят в привычный мир каждого человека. Из них создаются многие товары народного потребления: предметы интерьера, детали бытовых приборов, спортивная экипировка и инвентарь, модели, детали ЭВМ, военной промышленности и многое другое.
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:
— Легкость: легче стали на 40%, легче алюминия на 20% (1,7 г/см3 — 2,8 г/см3 — 7,8 г/см3);
— Высокая термостойкость: карбон сохраняет форму и свойства до температуры 2000°С;
— Теплоемкость и хорошие виброгасящие свойства;
— Высокий предел прочности на разрыв и высокий предел упругости;
— Эстетичность и декоративность.
— Чувствительность к точечным ударам;
— Сложность реставрации при сколах и царапинах;
— Выцветание, выгорание под воздействием солнечных лучей, для защиты покрывают лаком или эмалью;
— Длительный процесс изготовления;
— В местах контакта с металлом начинается коррозия металла, поэтому в таких местах закрепляют вставки из стекловолокна,
— Сложность утилизации и повторного использования.
Список используемой литературы:
