Углепластик

Углепластиковый планшет для бумаги

Углепластик — композиционный материал с полимерной матрицей, армированный углеродными волокнами. Применяется в конструкциях, для которых важны прочность и жёсткость при небольшой массе. Матрица может быть термореактивной или термопластичной.

Углеродное волокно служит армирующим компонентом, а углепластик представляет собой результат его объединения с полимером. Углерод-углеродные, керамические и металлические композиты с таким же армированием относятся к другим группам материалов: их матрица не является полимерной.

Состав и структура

В углепластике волокна и матрица работают совместно. Углеродные волокна обеспечивают высокую продольную жёсткость и воспринимают значительную часть нагрузки. Матрица связывает их, сохраняет взаимное расположение и передаёт усилия между ними. Поэтому характеристики изделия зависят не только от прочности волокна, но и от сцепления компонентов.

Для улучшения взаимодействия с полимером поверхность волокон обрабатывают и наносят аппрет — тонкое технологическое покрытие. Его состав подбирают под связующее. В исследованиях углепластиков с полисульфоновой матрицей показано влияние аппрета на межслойную прочность и пористость материала.

Типы матриц

Термореактивные матрицы образуются при отверждении связующего. К ним относятся, в частности, эпоксидные и фенольные системы. После отверждения такой материал нельзя вновь расплавить и сформовать тем же способом.

Термопластичные матрицы размягчаются при нагреве и позволяют применять повторное формование. В углепластиках используют, например, полиэфирэфиркетон (PEEK), полиэфиримид и полисульфон. При изготовлении слоистых материалов армирование соединяют с расплавом полимера и уплотняют; температурный режим выбирают для конкретной матрицы.

Формы армирования и полуфабрикаты

Углеродное армирование вводят в виде непрерывных жгутов, однонаправленных полотен, тканей, плетёных и нетканых материалов либо рубленых волокон. Эти формы различаются длиной волокон и их расположением в изделии.

Препрег — полуфабрикат, в котором армирующий материал заранее пропитан связующим. Из препрегов собирают заготовку, которую затем формуют. При других технологиях сухое армирование пропитывают непосредственно в форме.

Готовая углепластиковая ламель отличается от сухой ленты: она уже содержит отверждённую матрицу. При внешнем усилении конструкций применяются как заранее изготовленные композитные полосы, так и ткани, совмещаемые с клеящим составом при выполнении работ.

Технологии изготовления

Формованное изделие из углепластика

Выбор технологии связан с формой детали, видом армирования и свойствами связующего. Существенны вязкость полимера, возможность пропитать заготовку и условия, необходимые для её уплотнения и закрепления формы.

Выкладка и формование из препрегов. Слои укладывают в оснастку вручную или автоматизированным оборудованием. Подготовленную заготовку формуют, в том числе прессованием или в автоклаве. При автоклавном процессе нагрев сочетают с давлением, а воздух из герметичного технологического пакета удаляют вакуумированием.

Вакуумная инфузия. Сухое армирование укладывают на форму и закрывают герметичным технологическим пакетом. Разрежение создаёт перепад давления, под действием которого жидкое связующее поступает в заготовку. После пропитки проводят отверждение. Такая последовательность описана, в частности, в техническом материале Нанотехнологического центра композитов.

Пропитка под давлением (RTM). Армирующую заготовку помещают в закрытую форму, в которую нагнетают связующее. В отличие от инфузии под вакуумным мешком, геометрию детали задают сопряжённые части формы.

Намотка. Непрерывное армирование укладывают на вращающуюся оправку. Метод используют для полых изделий — труб, корпусов и сосудов давления. Траектория намотки определяет направление волокон.

Пултрузия. Пропитанное армирование непрерывно протягивают через нагретую формующую фильеру. Получают изделия постоянного поперечного сечения, в том числе полосы и профили.

Свойства

Анизотропия и механические характеристики

У слоистого углепластика свойства зависят от направления нагрузки относительно волокон. Для однонаправленного материала продольные и поперечные характеристики существенно различаются. В многослойном изделии это различие регулируют сочетанием слоёв с разной ориентацией армирования.

Механические характеристики волокна нельзя непосредственно переносить на углепластик. Например, для T300 изготовитель указывает модуль волокна 230 ГПа, а для однонаправленного эпоксидного композита на его основе — 140 ГПа при приведённых в техническом листе условиях.

Ниже приведён пример характеристик этого композита: волокно T300, эпоксидная система № 2500, отверждение при 130 °C. Значения нормированы изготовителем на содержание волокна 60 % по объёму.

Показатель	Значение
Прочность при растяжении вдоль волокон	1820 МПа
Модуль упругости при растяжении вдоль волокон	140 ГПа
Прочность при сжатии вдоль волокон	1470 МПа
Прочность при изгибе	1790 МПа

Это справочные данные определённой системы «волокно — матрица», а не универсальные характеристики углепластиков.

На прочность влияют также качество пропитки, поры и другие дефекты. В исследовании тканевых углепластиков на основе PEEK образцы из дефектных и бездефектных зон одной плиты показали различающиеся прочностные характеристики.

Разрушение и контроль качества

Повреждение углепластика может включать разрыв волокон, трещины матрицы, нарушение сцепления компонентов и расслоение. Удар способен вызвать внутренние повреждения при небольших следах на поверхности. Поэтому внешний осмотр не всегда позволяет оценить оставшуюся прочность детали.

Для неразрушающего контроля применяют ультразвуковые методы, рентгенографию, термографию, акустическую эмиссию и другие способы. Их возможности различаются: метод выбирают по виду предполагаемого дефекта, толщине и строению изделия.

Температура и воздействие среды

Температурная стойкость углепластика определяется всей системой, а не только углеродным волокном. Нагрев может изменить состояние полимерной матрицы и ослабить передачу усилий между волокнами. Поэтому допустимые температуры устанавливают для конкретного материала и условий нагружения.

Влага, солнечное излучение и температурные изменения вызывают старение полимерного компонента. Оно не обязательно сразу проявляется заметным падением прочности: в исследовании климатического старения однонаправленного углепластика поверхностное разрушение связующего сопровождалось изменением влагопереноса, тогда как большинство измеренных механических характеристик сохранялось на исходном уровне.

Защитные покрытия подбирают с учётом влажности, ультрафиолетового излучения, эрозии и контакта с рабочими жидкостями. Отсутствие ржавления углеродного армирования не означает, что готовое изделие невосприимчиво к воздействию среды.

Электропроводность и контакт с металлами

Углеродное армирование проводит электрический ток, но электропроводность углепластиковой конструкции значительно ниже, чем у алюминиевой. В авиации для распределения тока молнии применяют дополнительные проводящие элементы, например металлические сетки. Собственная проводимость углепластика не заменяет молниезащиту.

При электрическом контакте углепластика с алюминием в присутствии влаги возможно развитие электрохимической коррозии металла. Соединяемые поверхности изолируют и защищают покрытиями; выбор защиты зависит от конструкции соединения и условий эксплуатации.

Применение

Кузовные элементы автомобиля из углепластика

Углепластики используют в авиационной и космической технике, автомобилестроении, судостроении, машиностроении и строительстве. Сочетание армирования и полимера подбирают по нагрузкам, условиям эксплуатации и способу изготовления детали.

В авиации слоистые композиты применяют в обшивках и силовых элементах, в том числе в конструкциях крыла и оперения. При изготовлении таких деталей используют препреговые процессы, инфузию и автоматизированную выкладку.

В транспортных средствах, ветроэнергетических установках и медицинском оборудовании композиты используют в нагруженных конструкциях, требующих ограничения массы. Для этих применений существенны не только исходные механические характеристики, но и возможность выявлять повреждения в эксплуатации.

Применение в строительстве

Внешнее армирование

При внешнем усилении углепластиковые элементы закрепляют на поверхности существующей конструкции. Применяют готовые полосы и ткани, которые пропитывают полимерным составом в процессе работ. Клеевое соединение обеспечивает передачу усилий между основанием и усилением; требования к таким соединениям рассматривает ГОСТ 32943-2014.

СП 164.1325800.2014 устанавливает правила проектирования усиления железобетонных конструкций системами внешнего армирования на термореактивном связующем с углеродными или стеклянными волокнами. В нём рассматриваются расчёты изгибаемых и сжатых элементов, усиление при действии поперечных сил, проверка трещинообразования и деформаций.

Расчёту предшествует обследование. На результат влияют прочность и подготовка основания, направление армирования, анкеровка и состояние конструкции до усиления. Возможное отслоение композита учитывается наряду с разрушением самого материала.

Ограничения и защита

Для незащищённой системы учитывают температуру стеклования композита или адгезива; при необходимости предусматривают защиту от нагрева, огня и солнечного излучения. По СП 164 при отсутствии системы огнезащиты расчёт огнестойкости выполняют без учёта внешнего композитного армирования.

Преимущества и ограничения

Небольшая плотность и высокая удельная жёсткость позволяют уменьшать массу деталей по сравнению с металлическими решениями. Этот результат зависит от конструкции: углепластиковая деталь может отличаться от металлической толщиной, формой и расположением усилений.

Ориентация волокон позволяет приспосабливать материал к направлениям нагрузок, но одновременно требует проверки разных видов разрушения. Дополнительные ограничения связаны с повреждениями при ударе, состоянием соединений и необходимостью контроля внутренних дефектов.

Изготовление требует согласованного выбора волокна, матрицы и технологического процесса. Хорошие характеристики исходных компонентов сами по себе не обеспечивают качество изделия: важны совместимость связующего с поверхностью волокон и отсутствие непропитанных или пористых участков.

Переработка и утилизация

При переработке углепластика требуется отделить углеродное армирование от полимера либо использовать измельчённый композит как вторичный наполнитель. Для термореактивных материалов повторное плавление матрицы невозможно, поэтому применяют механические, термические и химические способы.

Механическое измельчение укорачивает волокна и даёт смесь частиц полимера и армирования. Пиролиз разрушает матрицу нагревом; химические методы, включая сольволиз, используют реагенты и растворители. Результат зависит от режима переработки: могут изменяться длина волокон, состояние их поверхности и механические свойства.

Извлечённое волокно не всегда заменяет исходное непрерывное армирование. Для повторного применения имеют значение не только сохранённая прочность, но и возможность сформировать из вторичного материала нужную структуру нового изделия.

Литература

• Колпачков Е. Д., Петрова А. П., Курносов А. О., Соколов И. И. Методы формования изделий авиационного назначения из ПКМ (обзор) // Труды ВИАМ. — 2019. — № 11 (83). — С. 22-36.
• Кирин Б. С., Сорокин А. Е., Бойчук А. С. Углепластики на основе полиэфирэфиркетонов // Труды ВИАМ. — 2020. — № 4-5 (88). — С. 22-31.
• Петров А. В., Дориомедов М. С., Скрипачев С. Ю. Технологии утилизации полимерных композиционных материалов (обзор) // Труды ВИАМ. — 2015. — № 8. — Ст. 09.