Углеволокно
Углеволокно — материал, состоящий преимущественно из тонких углеродных волокон. Отдельные волокна имеют малый диаметр и высокую прочность при растяжении. На практике углеволокно чаще всего применяют в составе композиционных материалов, где волокна объединены полимерной, металлической или керамической матрицей.
Строение и свойства[править]
Углеродное волокно состоит из множества элементарных нитей. Элементарные нити собирают в жгуты, ленты, ткани или нетканые материалы. Механические свойства волокна в значительной степени определяются ориентацией кристаллитов углерода: чем выше их ориентация вдоль оси волокна, тем больше прочность и модуль упругости в этом направлении.
Для углеволокна характерны:
- высокая удельная прочность и жёсткость;
- низкая плотность по сравнению со сталью;
- устойчивость к коррозии;
- низкий коэффициент линейного температурного расширения вдоль волокна;
- электропроводность;
- анизотропия — свойства существенно различаются вдоль и поперёк волокна.
Показатели зависят от марки и технологии производства. Плотность углеродных волокон обычно находится примерно в диапазоне 1,7–2,0 г/см³, а модуль упругости и прочность при растяжении могут различаться в несколько раз. Поэтому данные для конкретного материала определяют по технической документации производителя и результатам испытаний.
Производство[править]
Наиболее распространённым сырьём для производства углеволокна служит полиакрилонитрильное волокно. Также применяют пек и, реже, вискозное волокно.
Основные стадии производства:
- получение исходного волокна и формирование жгута;
- стабилизация — нагрев в окислительной среде, при котором исходный полимер преобразуется в термостойкую структуру;
- карбонизация в инертной атмосфере с удалением нелетучих элементов;
- дополнительная высокотемпературная обработка для получения волокон с повышенным модулем упругости;
- поверхностная обработка для улучшения сцепления с матрицей;
- нанесение аппрета и намотка готового жгута.
Режимы термообработки определяют соотношение прочности, жёсткости и других свойств. Углеродное волокно, предназначенное для композиционных материалов, обычно поставляют не как отдельные нити, а в виде жгутов, лент, тканей или препрегов.
Композиционные материалы[править]
Волокно эффективно воспринимает нагрузку преимущественно вдоль своей оси, поэтому его укладывают в требуемых направлениях. Матрица фиксирует волокна, передаёт между ними нагрузку и защищает их от внешней среды.
Наиболее распространены полимерные композиционные материалы, армированные углеродным волокном (CFRP). В них используют эпоксидные, винилэфирные и другие полимерные связующие. Свойства готового композита зависят не только от характеристик волокна, но и от вида матрицы, объёмной доли волокна, качества пропитки, направления армирования, технологии изготовления и условий эксплуатации.
По форме выпуска различают:
- Основные формы выпуска углеродного волокна
- Углеродные нити.jpg
Углеродные нити. Фото: Arslan864
- Углеткань.jpg
Углеродная ткань. Фото: Arslan864
- Углеродная ламель (пластина).jpg
Углепластиковая ламель. Фото: Arslan864
- однонаправленные ленты и ламели;
- тканые материалы;
- жгуты;
- препреги;
- рубленое волокно и нетканые полотна.
Применение[править]
Углеволокно и композиты на его основе применяют в тех случаях, когда необходимы высокая удельная прочность, жёсткость и малая масса:
- в авиационной и космической технике;
- в автомобилестроении, судостроении и железнодорожном транспорте;
- в лопастях ветроэнергетических установок;
- в спортивном инвентаре;
- в робототехнике и машиностроении;
- в строительстве для усиления бетонных, железобетонных, каменных и металлических конструкций.
В строительстве углеродные ленты, ткани и ламели применяют совместно с клеевыми или цементными составами. Они могут использоваться для усиления изгибаемых элементов, повышения несущей способности, ограничения раскрытия трещин, усиления колонн и восстановления конструкций. Проектирование такого усиления выполняют с учётом расчётной схемы, состояния основания, анкеровки, огнестойкости, совместимости материалов и требований нормативных документов.
Преимущества и ограничения[править]
К преимуществам углеволокна относят сочетание малой плотности с высокой прочностью и жёсткостью, стойкость к большинству коррозионных воздействий и возможность создавать тонкие армирующие элементы.
Ограничения материала связаны с его анизотропией, хрупким характером разрушения отдельных волокон, чувствительностью композита к качеству изготовления и сравнительно высокой стоимостью. Полимерная матрица может ограничивать рабочую температуру и требовать защиты от огня и ультрафиолетового излучения. Углеродные материалы, находящиеся в электрическом контакте с алюминием, могут ускорять электрохимическую коррозию, поэтому в конструкциях предусматривают изоляцию и совместимые материалы.
Экология и переработка[править]
Производство углеволокна требует значительных затрат энергии, особенно на стадиях стабилизации и высокотемпературной обработки. Переработка композитов затруднена из-за прочного соединения волокна с матрицей. Используют механическое измельчение, термические и химические методы разделения, однако переработанное волокно обычно уступает первичному по длине и механическим характеристикам.
См. также[править]
Примечания[править]
Литература[править]
- ГОСТ 31938-2012. Арматура композитная полимерная для армирования бетонных конструкций. Общие технические условия.
- СП 164.1325800.2014. Усиление железобетонных конструкций композитными материалами. Правила проектирования.
- Fitzer E., Manocha L. M. Carbon Reinforcements and Carbon/Carbon Composites. Springer, 1998.
- Savage G. Carbon-Carbon Composites. Chapman & Hall, 1993.
Ссылки[править]
- Carbon fiber — Encyclopaedia Britannica (англ.).
- ISO 13003:2003 Fibre-reinforced plastics — Determination of fatigue properties — сведения о стандарте (англ.).