Карбон: что это, характеристики, методы производства, сфера применения

1. 1. Что это такое?
2. 2. Основные характеристики
3. 3. Методы производства
4. 4. Сферы использования

Что это такое?

Другие названия карбона — углепластик, углевоклокно, углеткань (перейти к товарам). Это композитный материал (перейти к товарам), который состоит из углеродного волокна в матрице из полимерных смол.

Главная характеристика карбона и его основное достоинство — чрезвычайная прочность вплоть до 1500 кг/куб. м при очень малом весе. Прочность углепластика зачастую превышает таковую у стали, включаю конструкционную легированную. Однако, поскольку его стоимость довольно высокая, целиком что-либо из него производят редко — чаще используют как вспомогательный элемент при конструировании различных деталей и изделий.

Сырьевым материалом для производства углеродного волокна служит полиакрилонитрил — материал, напоминающий по внешнему виду белую шерсть. Если упростить, можно сказать, что углепластик производится из этой шерсти, легко ломающейся, но прочной на растяжение. Из нитей плетется ткань, которая затем обрабатывается полимерной смолой (перейти к товарам), поэтому углеткань — другое популярное название карбона.

Подобное «шерстяное» сырье предварительно несколько раз нагревают в инертной среде и насыщают углеродом в рамках процедуры под названием «графитизация», что позволяет изменить его молекулярную структуру. Результат — упрочнение связи между атомами, благодаря чему углеродное волокно становится максимально прочным.

Само сырье производится из органических или химических волокон. Например, это может быть вискоза, которую окисляют при температуре 250 °C на протяжении суток, затем карбонизируют в среде аргона или азота, затем графитизируют при температуре до 3000 °C. Произведенное из таких нитей волокно практически целиком состоит из углерода.

Основные характеристики

Основные характеристики карбона — его прочность. Особенно славится углеродное волокно прочностью на разрыв, которая достигает 1800 мПа. Материал также прекрасно выдерживает температуру до 2000 °C.

Недостаток углеродного волокна — его хрупкость. При ударе оно может раскрошиться, причем ремонтировать его невозможно. На ультрафиолете может утратить первоначальный цвет. Но положительные качества карбона перекрывают его недостатки, поэтому он продолжает быть востребованным материалом, в том числе в высокотехнологичных сферах — например, аэрокосмической и автомобильной.

Методы производства

Существуют несколько технологий производства углеткани.

• Вакуумбэгинг — с использованием вакуумного мешка, армирующего материала, впитывающего и перфорированного слоя, жертвенной ткани (перейти к товарам), а также вакуумного полотна (перейти к товарам). Как правило, такой метод применяется для создания небольших недорогих изделий.
• Вакуумная инфузия — такой метод подходит для создания сравнительно больших деталей. Особенно хорош он для изделий, которые должны быть идеально гладкими. В отличие от вакуумбэгинга, в процессе работы пары смолы остаются внутри рабочей камеры, поэтому он не такой потенциально опасный для персонала.
• С препрегом (перейти к товарам) — заготовкой, пропитанной армирующим материалом. Карбон с препрегом изготавливается в автоклаве (перейти к товарам) с высоким давлением и температурой. Обычно именно такая методика применяется для создания высокопрочных деталей, в том числе подходящих для использования в болидах «Формулы 1». Препреги необходимо хранить в морозильнике.

Есть и несколько особых технологий, которые используются для создания конкретных деталей. Например, трубчатые изделия производятся из препрегов, наматываемых на цилиндрическую оправку, которые затем отправляются в термошкаф, где полимеризуются. Подходит только для трубок небольшого диаметра.

Другая технология — так называемая намотка нитями по «сухому» или «мокрому». В последнем случае волокна пропитываются связующим веществом.

И наконец, карбон может производится методом протяжки, с использованием нитей и жгутов. С его помощью создаются однонаправленные профили.

Сферы использования

Карбон легче алюминия, при этом он не подвержен коррозионному разрушению, прочен и эстетичен. Этим обусловлены сферы его использования: из углепластика делают детали самолетов, укрепляют бетонные конструкции, выполняют элементы кораблей. Он востребован в ветроэнергетике и железнодорожном строительстве. Как упоминалось выше, из него создают детали гоночных автомобилей, потому что он легкий и прочный. В среде автовладельцем карбон применяется для тюнинга машин.

Из углеткани делают струны для музыкальных инструментов, элементы рыболовной оснастки, протезы, спортивный инвентарь, вязальные спицы. В действительности, это универсальный материал — за счет прочности и эстетичности он подходит практически для любой сферы.