Вы когда-нибудь задумывались, какой материал прочнее стали, но легче алюминия? Ответ – углепластик! Это принципиально новый класс полимерного композитного материала, обладающий множеством уникальных свойств.
Углепластик, он же карбон, занимает важное место в современном производстве, особенно в таких отраслях, как аэрокосмическая промышленность, где требуются материалы с высокой прочностью и легким весом.
Он состоит из углеродного волокна и полимерного связующего. По сути, это пластик, армированный углеродным волокном для придания ему большей прочности и жесткости.
Что такое углеродное волокно?
Углеродное волокно представляет собой тонкие нити атомов углерода, которые соединены между собой в определенном порядке. Если вы сталкивались с такими формами углерода, как пепел в костре или графит карандашного грифеля, вы можете быть удивлены, узнав, что из углерода можно сделать невероятно прочный материал.
Однако все зависит от структуры атомов углерода и того, как они связаны друг с другом. В углеродном волокне атомы углерода имеют высокоорганизованную структуру и содержат прочные связи.
Как производится углеродное волокно?
Процесс производства углеродного волокна сложен и включает в себя несколько этапов.
- Во-первых, необходимо произвести сырье для получения полимера. Например, вискозу, этот полимер создается в результате химического процесса объединения мономеров («звеньев», составляющих полимерную цепь) с катализатором, который вызывает процесс полимеризации.
- Во-вторых, полученный полимер скручивают в длинные волокна, используя один из нескольких возможных методов. Эти волокна промываются и также растягиваются. Процесс растяжения помогает выровнять молекулы в волокне для получения более прочного готового продукта, а также позволяет волокну достичь желаемого диаметра.
- Третий этап называется стабилизацией, при котором волокна нагреваются при относительно низкой температуре ( 200 - 300°С) в присутствии кислорода. Этот шаг вызывает изменение химических связей внутри волокон, что позволяет добиться лучших результатов процесса карбонизации.
- После стабилизации волокна карбонизируются, что требует их нагрева до температуры 1000 - 3000°С, на этот раз без присутствия кислорода (чтобы предотвратить возгорание). Получаемые в результате отдельные углеродные волокна обычно имеют диаметр около 5-10 мкм. Для сравнения, средний человеческий волос имеет толщину от 60 до 80 мкм.
- Затем поверхность углеродных волокон обрабатывают, подвергая их воздействию определенных газов или кислот. В результате происходит травление поверхности, что повышает их способность связываться со смолой при использовании в композитных материалах.
- Наконец, углеродные волокна подвергаются калибровке, то есть нанесению защитного покрытия для предотвращения повреждения волокон в последующем производственном процессе.
- На последнем этапе они будут скручены в большие и маленькие рулоны в зависимости от потребностей в упаковке или транспортировке. Переплетенные нити углеволокна затем можно использовать для изготовления различных изделий.
Для чего используется углеродное волокно?
Углеродное волокно идет на изготовление высокопрочного полимерного композитного материала – углепластика или, как его еще называют, карбон и карбонопластик. Для этого волокно смешивают со связующим полимером.
Полимерная смола представляет собой жидкое или твердое вещество, которое может затвердевать и связывать углеродные нити вместе. Она может быть термореактивной или термопластичной, в зависимости от того, можно ли его расплавить и изменить форму или нет. Термореактивные смолы, такие как эпоксидная, полиэфирная или винилэфирная смола, более распространены для углеродного волокна, поскольку они обладают более высокой прочностью и долговечностью.
Пластик, армированный углеродным волокном, имеет прочность, сравнимую со сталью, и вес, сравнимый с пластиком. Таким образом, соотношение прочности и веса у него намного выше, чем у стали. Это делает его привлекательным материалом для использования там, где важна прочность, а вес должен быть сведен к минимуму.
Трубки, прутки, полосы и другие материалы из углепластика
Из карбона изготавливают материалы различных форм, например:
- круглый стержень;
- квадратный стержень;
- круглая трубка;
- квадратная трубка с круглым внутренним профилем;
- квадратная трубка с квадратным внутренним профилем;
- цветная трубка в рулоне;
- полоса.
Перечисленные изделия производятся по технологии пултрузии из чистого углеродного волокна, смешанного с эпоксидной смолой.
Основные сферы применения материалов из карбона:
- робототехника;
- радиоуправляемые модели;
- воздушные змеи;
- БПЛА (квадрокоптеры, дроны, вертолеты, самолеты);
- спортинвентарь;
- строительная арматура.
Уникальные свойства углепластика
- Высокая прочность: его прочность в несколько раз выше, чем у стали, с точки зрения соотношения прочности и веса, то есть он обладает чрезвычайной способностью выдерживать высокие нагрузки на растяжение.
- Легкий вес: он имеет меньшую плотность, более чем на 30–50% легче традиционных металлических материалов и очень подходит для изготовления легких компонентов и деталей.
- Коррозионная стойкость: он обладает хорошей коррозионной стойкостью, устойчивостью к химической и солевой коррозии и имеет длительный срок службы в суровых атмосферных условиях.
- Высокотемпературные характеристики: он имеет хорошие термостойкие свойства, в условиях высоких температур он сложно поддается деформации, не теряет своей прочности и обладают стабильностью размеров.
- Хорошая электропроводность. Благодаря этому свойству углеродные материалы нашли применение в изготовлении полимерных изделий с электростатическими свойствами.
- Удобная обработка: он может подвергаться различным формам обработки в зависимости от потребностей, такие как резка, сверление, шлифование, штамповка и т. д., что удобно в использовании.
Таблица. Сравнение свойств углепластика с некоторыми металлами и полимерами
| Материал | Плотность, кг/мм³ | Прочность при растяжении, МПа | Модуль Юнга, ГПа | Удельная прочность, е*10³, км | Удельный модуль, Е*106, км |
| Углепластик | 1450 – 1600 | 780 - 1800 | 120 - 130 | 53 - 112 | 9 - 20 |
| Стеклопластик | 2120 | 1920 | 69 | 91 | 3,2 |
| Высокопрочная сталь | 7800 | 1400 | 210 | 18 | 2,7 |
| Алюминиевый сплав | 2700 | 500 | 75 | 18 | 2,7 |
| Титановый сплав | 4400 | 1000 | 110 | 28 | 2,5 |
| Полиамид 6,6 | 1140 | 82,6 | 28 | 7,24 | 0,24 |
Эта таблица не отражает точных свойств материалов и не должна использоваться в целях проектирования.
На самом деле, сравнивать композитные детали очень сложно с металлическими. Прочность, жесткость и вес композитного изделия определяются модулем упругости волокна, направлением/размещением волокна и используемой смолы. А свойства металлической детали определяются только типом материала и размером самого изделия.
По показателям удельной прочности и жесткости углепластики превосходят все самые распространенные металлы, в том числе и высокопрочную сталь.
Удельный модуль упругости – это соотношение жесткости к весу данного материала.
Удельная прочность на разрыв – это соотношение прочности к весу данного материала.
Трубки из углеродного волокна вполне могут заменить собой трубки из алюминия или стали в во многих проектах по моделированию и хобби. Углепластики прочнее этих материалов на единицу веса, но слабее на единицу объема.
Опираясь на уникальные свойства карбона, можно сделать вывод: карбоновые изделия того же веса, что и алюминиевые или стальные, могут быть намного прочнее, или карбоновые изделия такой же прочности могут быть намного легче.
Виды и особенности карбоновых трубок
Трубки из углеволокна представляют собой длинный трубчатый элемент, изготовленный по специальной технологии (пултрузии) из углеродного волокна и полимерного связующего. В основном они круглые, но также производятся в квадратных, прямоугольных, многоугольных и овальных формах. Кроме того, есть варианты труб, у которых:
- внешний профиль - квадрат, внутренний профиль - круг;
- внешний профиль - квадрат, внутренний профиль - квадрат.
Карбоновые трубки: квадрат-круг и квадрат-квадрат
Схематическое изображение внешних сторон трубок
В авиационных моделях их часто используют для изготовления фюзеляжа, крыльев и других деталей, которые характеризуются высокой прочностью, легким весом, устойчивостью к коррозии, нелегко деформируются и т. д., благодаря чему авиационные модели имеют лучшую выносливость и летные характеристики.
Применение трубок из углеволокна вместо алюминиевых может снизить вес беспилотника примерно на 30%.
Размеры карбоновых трубок
Ниже приведены самые распространенные размеры трубок из углепластика.
Круглые трубки
- Диаметр (внешний * внутренний): 2,5*1,5; 3*2; 4*3; 5*4; 6*5; 8*6; 14*12; 16*12; 18*16; 20*16 мм
- Длина: 500 и 1000 мм
Квадратные трубки с круглым отверстием
- Стороны квадрата и толщина стенки: 1,4*1,4*0,8; 1,7*1,7*1; 2*2*1; 2,5*2,5*1,5; 3*3*2; 4*4*3; 5,5*5*4; 6*6*5; 8*8*6,5; 10*10*8,5 мм
- Длина: 1000 мм
Квадратные трубки с квадратным отверстием
- Стороны квадрата и толщина стенки: 3*3*2; 4*4*3; 5*5*4; 6*6*5; 8*8*6,5; 10*10*8,5 мм
- Длина: 1000 мм
Виды и особенности карбоновых прутков
Стержни (прутки) из углеволокна представляют собой длинномерные изделия цилиндрической, квадратной или другой формы, но в отличие от трубок они полнотелые. Изготавливаются также из полимеров, армированных углеродными волокнами. Подобно трубкам, они обладают исключительной удельной прочностью, жесткостью и легким весом. В ситуациях, когда другие материалы разрушаются, карбоновые стержни могут выдерживать высокие нагрузки на разрыв, не теряя целостности.
Углеволоконные прутки демонстрируют исключительную устойчивость к факторам окружающей среды, включая УФ-излучение и коррозию. Эти свойства делают их подходящими для применения на открытом воздухе и в морской среде, где воздействие неблагоприятных элементов является постоянной проблемой.
Размеры карбоновых прутков
Круглые прутки
- Диаметр: 1; 1,5; 2; 2,5; 3; 4; 5; 6; 8 мм, длина - 500 мм
- Диаметр: 0,6; 0,8; 1,2; 1,5; 1,8; 6; 11; 14; 16; 18; 20 мм, длина - 1000 мм
Квадратные прутки
- Сторона квадрата: 5*5; 6*6; 8*8; 10*10; 10*12; 10*15 мм
- Длина - 1000 мм
Легкие и невероятно прочные карбоновые полосы
Полоса из углеволокна представляет собой высокопрочный и легкий конструкционный материал. Он производится с использованием процесса пултрузии, при котором углеродные волокна ориентируются однонаправленно по длине формы и пропитываются эпоксидной или винилэфирной смолой, а затем протягиваются через нагретую матрицу для придания желаемой формы.
Главные свойства:
- Высокая прочность на растяжение.
- Высокий модуль упругости (от 150 ГПа до 300 ГПа).
- Исключительное соотношение легкости и жесткости.
- Стабильность размеров.
- Устойчивость к химической коррозии.
- Устойчивость к трению и износу.
- Низкий уровень шума и поглощение вибрации.
Размеры полос из углепластика
- Толщина * ширина: 0,2*3; 0,3*30; 0,5*5; 0,5*10; 0,8*1,2; 0,8*3; 0,8*25,4; 1*3; 1*4; 1*5; 1*6; 1*10; 1,5*2,5; 2*10; 2*12; 3*12; 3*15; 4*20; 4*15; 2*4; 2*6; 5*25; 0,5*3; 0,6*5 мм.
- Длина: 1000 мм.
Преимущества трубок из углепластика, свернутых в рулон
Фраза «рулонная обертка» относится к процессу изготовления этих трубок. Трубы из углеродного волокна, обернутые в рулоны, изготавливаются с использованием нескольких укладок разнонаправленных и/или однонаправленных препрегов (композитный полуфабрикат). Обычно производители используют препреги из углеродного волокна вместе с эпоксидной матрицей в рулонных тубах.
Чередующиеся слои армирования создают более прочную трубку, особенно к нагрузкам на сдавливание и скручивание. Трубки данного типа лучше всего подходят для применений, требующих высокой жесткости на изгиб и малого веса, таких как дроны и БПЛА, автомобильные детали, телескопические шесты, удочки и т. д.
Размеры
Трубки из препрега углеродного волокна могут быть изготовлены от очень маленького до большого диаметра и практически с любой толщиной стенок, что достигается путем комбинирования слоев препрега разной толщины. Рулонная упаковка обеспечивает максимальную однородность труб по всей толщине. Карбоновые трубы, обернутые в рулоны, выпускаются в нескольких стандартных длинах.
Отделка
Поставляются углеволоконные трубки, обернутые в рулон, с различной отделкой, например, с естественной производственной отделкой, саржевого (полотняного) плетения, с матовой или глянцевой поверхностью, гладкой отшлифованной поверхностью.
Естественная производственная отделка означает, что на внешнем слое трубы виднеется однонаправленное углеродное волокно (нетканое), а также имеется легкая ребристая текстура, полученная в процессе производства. Она является свидетельством экстремального давления, под которым отверждаются трубки. Ребристую поверхность можно отшлифовать до гладкости, после чего трубы можно покрыть прозрачным лаком, чтобы придать блеск.
Рулонные трубки с саржевой отделкой имеют привлекательный внешний вид тканого переплета с гладкой глянцевой или матовой поверхностью, что идеально подходит там, где внешний вид изделия имеет важное значение. Цифры 12К или 3К в обозначении отражают размер «шашек» в декоративном слое.
Цвет
Разноцветная трубка из углеродного волокна может иметь цвет, определяемый материалом внешнего слоя: зеленый, красный, синий, желтый, фиолетовый и др. Эстетичный вид цветной углеволоконной трубки делает ее идеально подходящей для использования везде, где она выступает элементом декора и в видимых конструкциях.
Ключевые особенности
- Более высокая удельная жесткость.
- Способность выдерживать нагрузки в любом направлении.
- Точный допуск по внутреннему и наружному диаметру.
- Устойчивость к нагреву и низкий коэффициент теплового расширения.
- Водонепроницаемость и устойчивость к ультрафиолетовому излучению.
- Стабильность размеров и простота обработки.
Трубы из углеродного волокна, обернутые в рулон прочнее на сдавливание, излом и скручивание, чем обычные карбоновые «пултрузионные» трубы (все волокна которых ориентированы в одном и том же направлении).
Вывод
Углепластик – это композитный материал, состоящий из углеродных нитей, заключенных в полимерную смолу. Он имеет высокое соотношение прочности к весу и соотношение жесткости к весу, что означает, что он может выдерживать большую нагрузку при меньшей массе, чем другие материалы. Он также обладает высокой теплопроводностью и стабильностью размеров, что означает, что он может противостоять нагреву и сохранять форму лучше, чем другие материалы. Он используется в различных областях, где требуются прочность, легкость, жесткость и долговечность, например, в аэрокосмической, автомобильной, спортивной, художественной, архитектурной, инженерной и т.д.
Часто задаваемые вопросы
Углепластик прочнее стали?
Композит из углеродного волокна имеет более высокую прочность на растяжение, сжатие и изгиб, чем сталь, на единицу веса, а это означает, он может выдерживать большую нагрузку при меньшей массе. Однако углепластик имеет меньшую прочность на сдвиг (скручивание) и ударную вязкость, чем сталь, а это означает, что он может сломаться при внезапном или повторяющемся напряжении или при ударе о предмет.
Какая карбоновая трубка лучше?
Когда у вас есть выбор: рулонная труба из углеродного волокна или труба из пултрудированного углеволокна, следует знать, что трубы с рулонной обмоткой лучше подходят для использования там, где они могут подвергаться изгибающим нагрузкам, скручиванию и раздавливанию, тогда как карбоновая труба, изготовленная методом пултрузии, способна противостоять более высокому растягивающему напряжению, но уязвима к раздавливанию или скручиванию.
Можно ли согнуть трубку из углеродного волокна, придав ей форму?
Нет! Для изготовления карбоновых трубок и стержней используются термореактивные смолы, такие как эпоксидная, полиэфирная или винилэфирная. Это означает, что после отверждения полимерная составляющая никогда не возвращается в жидкое состояние. При попытке согнуть трубку, она треснет и сломается при определенном усилии, но не согнется. Углепластик очень жесткий материал!
Как карбоновые трубки выдерживают погодные условия?
Одним из преимуществ трубок из углепластика является то, что они выдерживают погодные условия лучше, чем большинство других материалов. Влага и температура не повреждают трубы из углеродного композита. Выветривание не влияет на его фазу, но ультрафиолетовое излучение может разрушить эпоксидную смолу и ослабить структуру. Но поскольку ультрафиолет не проникнет дальше 10 мкм в непрозрачный угольный слой в карбоне, то воздействием ультрафиолета иногда можно пренебречь.
Чтобы полностью защитить трубки, рекомендуется окрасить их прозрачной краской с ингибиторами УФ-излучения. Даже если они будут подвергаться воздействию солнечного света с очень высоким индексом УФ-излучения, вы не заметите каких-либо существенных изменений в течение многих месяцев.
Какую температуру выдерживают карбоновые прутки?
Углеволокна сами по себе способны выдерживать очень высокие температуры, вплоть до +1000°С, но из-за полимерного связующего способность углепластика противостоять нагреву ограничена. При температуре от 70°С механические свойства углепластиков на основе эпоксидных смол начинают меняться. Это не означает, что пруток выйдет из строя при превышении этой температуры, однако он начнет терять прочность и жесткость.
Что прочнее углепластик или стеклопластик?
Промышленные углепластики более чем на 20 % прочнее на разрыв самых лучших стеклопластиков и весят примерно на 15 % меньше. Соотношение прочности к весу у углепластиков примерно в 2 раза выше. Карбон не только прочнее стеклопластика, но и жестче, а это означает, что он может выдерживать большее усилие, прежде чем согнуться или сломаться. Однако он не так устойчив к ударам, как стеклопластик, что делает его менее подходящим для применений, требующих ударопрочности.
Что прочнее алюминий или карбон?
Деталь из углепластика имеет в 2–5 раз большую прочность, чем алюминиевая деталь того же веса. Деталь, изготовленная из стандартного карбона той же толщины, что и алюминиевая, будет на 60 % прочнее и в 2 раза легче. Алюминий обладает большей пластичностью, что делает его менее подверженным повреждениям от внезапных ударов, а карбон может внезапно сломаться под напряжением или давлением.
Почему углеродное волокно дорогое?
Это связано с процессом производства углеволокна, каждый этап которого высоко технологичен, требует высокоточного контроля и определенных навыков. К тому же, в конечном продукте используется только половина дорогого сырья. Высокая энергозатратность производственного процесса является еще одной причиной высокой стоимости углеволокна и полимеров на его основе - углепластиков.
