Все об углеволокне

Знать все об углеволокне очень важно для каждого современного человека. Понимая технологию производства карбона в России, плотность и иные характеристики углеткани, проще будет разобраться со сферой его применения и сделать правильный выбор. Кроме того, следует выяснить все про шпатлевку и теплый пол с углеродным волокном, про иностранных производителей этого товара и про различные области применения.

Названия углеволокно и карбон, а в ряде источников еще и углеродное волокно встречаются очень часто. Но представление о действительных характеристиках этих материалов и возможностях их использования у многих людей достаточно разное. С технической точки зрения, этот материал собран из нитей сечением не менее 5 и не более 15 мкм. Почти весь состав приходится на долю углеродных атомов — отсюда и название. Сами эти атомы сгруппированы в четкие кристаллы, которые образуют параллельные линии.

Подобное исполнение обеспечивает очень большую устойчивость к растягивающему усилию. Волокно из углерода нельзя считать совершенно новым изобретением. Первые образцы похожего материала получал и использовал еще Эдисон. Позднее, в середине ХХ века углеволокно пережило ренессанс — и с этого момента его использование неуклонно возрастает.

Важнейшей из характеристик углеволокна остается его исключительная тепловая стойкость. Даже если вещество прогрето до 1600 — 2000 градусов, то при отсутствии кислорода в окружающей среде его параметры не поменяются. Плотность этого материала, наряду с обычной, бывает и линейной (измеряется в так называемых тексах). При линейной плотности 600 tex масса 1 км полотна будет составлять 600 г. Критически важное значение во многих случаях имеет и модуль упругости материала, или, как говорят иначе, модуль Юнга.

У высокопрочного волокна этот показатель составляет от 200 до 250 ГПа. Высокомодульное углеволокно, сделанное на базе ПАН, имеет модуль упругости примерно 400 ГПа. У жидкокристаллических решений этот параметр может варьироваться от 400 до 700 ГПа. Модуль упругости вычисляют, отталкиваясь от оценки его величины при растягивании отдельных графитовых кристаллов. Ориентировку атомных плоскостей устанавливают с использованием рентгеноструктурного анализа.

По умолчанию поверхностное натяжение составляет 0,86 Н/м. При обработке материала для получения металлокомпозитного волокна этот показатель вырастает до 1,0 Н/м. Определять соответствующий параметр помогает измерение по способу капиллярного подъема. Температура плавления волокон на базе нефтяных пеков равна 200 градусам. Прядение происходит примерно при 250 градусах; температура плавления других видов волокон прямо зависит от их состава.

Максимальная ширина углеродных полотен зависит от технологических требований и нюансов. У многих производителей она составляет 100 или 125 см. Что касается осевой прочности, то она будет равна:

• у высокопрочных изделий на базе ПАН от 3000 до 3500 МПа;
• у волокон со значительным удлинением строго 4500 МПа;
• у высокомодульного материала от 2000 до 4500 МПа.

Теоретические расчеты устойчивости кристалла при растягивающем усилии в сторону атомной плоскости решетки дают оценочную величину 180 ГПа. Ожидаемый предельный практический показатель равен 100 ГПа. Но в экспериментах пока не подтверждено наличие уровня более 20 ГПа. Реальная прочность углеволокна лимитируется его механическими дефектами и нюансами производственного процесса. Установленная в исследованиях на практике прочность к растяжению участка длиной 1/10 мм составит от 9 до 10 ГПа.

Отдельного внимания заслуживает карбоновое волокно T30. Этот материал применяется в основном в получении удилищ. Такое решение отличается легкостью и отличным балансом. Индекс Т30 обозначает модуль упругости 30 тонн.

Получить углеродное волокно можно из самых разных типов полимеров. Режим обработки определяет две основные разновидности таких материалов — карбонизированный и графитизированный типы. Важное различие существует между волокном, получаемым из ПАН и из различных видов пека. Качественные волокна углерода, как высокопрочной, так и высокомодульной категории, могут иметь несходный уровень твердости и модуль упругости. Принято относить их к разным маркам.

Волокна делают в формате нити либо жгута. Их образует от 1000 до 10000 непрерывных элементарных волокон. Ткани из этих волокон также можно выработать, как и жгуты (в этом случае число элементарных волокон еще больше). Исходным сырьем выступают волокна не только простых, но и жидкокристаллических пеков, а также полиакрилонитрила. Процесс получения подразумевает сначала выработку исходных волокон, а затем их прогревают в воздухе при 200 — 300 градусах.

В случае с ПАН такой процесс получил название предварительной обработки или повышения огневой стойкости. Пек после подобной процедуры получает такое важное свойство, как неплавкость. Частично волокна окисляются. Режим дальнейшего прогрева определяет, будут ли они относиться к карбонизированной или графитизированной группе. Окончание работы подразумевает придание поверхности необходимых свойств, после чего ее аппретируют либо шлихтуют.

Окисление в воздушной атмосфере повышает огневую стойкость не только в результате окисления. Свой вклад вносят не только частичное дегидрирование, но и межмолекулярное сшивание и иные процессы. Дополнительно уменьшается подверженность материала плавлению и улетучивание углеродных атомов. Карбонизация (в высокотемпературной фазе) сопровождается газификацией и уходом всех посторонних атомов.

Последующая их карбонизация проводится в окружении азота при 1000 — 1500 градусах. Оптимальный уровень прогрева, по мнению ряда технологов, составляет 1200 — 1400 градусов. Высокомодульное волокно придется прогревать примерно до 2500 градусов. На предварительном этапе ПАН получает лестничную микроструктуру. За ее возникновение «отвечает» конденсация на внутри молекулярном уровне, сопровождающаяся возникновением полициклического ароматического вещества.

Чем больше возрастает температура, тем больше будет и структура циклического типа. После окончания термообработки по технологии размещение молекул либо ароматических фрагментов таково, что главные оси будут параллельны волоконной оси. Натяжение позволяет избежать падения степени ориентации. Особенности разложения ПАН при термообработке определяются концентрацией привитых мономеров. Каждый тип таких волокон определяет изначальные условия обработки.

Жидкокристаллический нефтяной пек требуется долгое время держать при температуре от 350 до 400 градусов. Такой режим приведет к конденсации полициклических молекул. Их масса повышается, и постепенно происходит слипание (с образованием сферолитов). Если нагрев не останавливается, сферолиты растут, молекулярная масса увеличивается, и итогом становится формирование неразрывной жидкокристаллической фазы. Кристаллы изредка растворимы в хинолине, но обычно как в нем, так и в пиридине они не растворяются (это зависит от нюансов технологии).

Волокна, полученные из жидкокристаллического пека с 55 — 65% жидких кристаллов, текут пластически. Прядение ведут при 350 — 400 градусах. Высокоориентированную структуру формируют первоначальным нагревом в воздушной атмосфере при 200 — 350 градусов и последующим выдерживанием в инертной среде. Волокна марки Thornel P-55 приходится прогревать до 2000 градусов, чем выше модуль упругости, тем выше должна быть температура.

Научные и инженерные работы в последнее время обращают все больше внимания на технологию с применением гидрирования. Первоначальная выработка волокон часто производится гидрированием смеси каменноугольного пека и нафталовой смолы. При этом должен присутствовать тетрагидрохинолин. Температура обработки составляет 380 — 500 градусов. Твердые примеси можно удалить за счет фильтрации и прогонки через центрифугу; после этого сгущают пеки при повышенной температуре. Для производства карбона приходится применять (в зависимости от технологии) довольно разнообразное оборудование:

• слои, распределяющие вакуум;
• насосы;
• герметизирующие жгуты;
• рабочие столы;
• ловушки;
• проводящие сетки;
• вакуумные пленки;
• препреги;
• автоклавы.

На мировом рынке лидируют такие производители углеродного волокна:

• «Торнел», «Фортафил» и «Целион» (Соединенные Штаты);
• «Графил» и «Модмор» (Англия);
• «Куреха-Лон» и «Торейка» (Япония);
• Cytec Industries;
• Hexcel;
• SGL Group;
• Toray Industries;
• Zoltek;
• Mitsubishi Rayon.

На сегодняшний день карбон производят в России:

• Челябинский завод углеродных и композиционных материалов;
• «Балаково Карбон Продакшн»;
• НПК «Химпроминжиниринг»;
• Саратовское предприятие «СНВ».

Углеродное волокно применяют, чтобы получать композитную арматуру. Также распространено его использование для получения:

• двунаправленных тканей;
• тканей дизайнерской категории;
• биаксиальной и квадроаксиальной ткани;
• нетканого полотна;
• однонаправленной ленты;
• препрегов;
• наружного армирования;
• фибры;
• жгутов.

Достаточно серьезной инновацией сейчас является инфракрасный теплый пол. В этом случае материал применяют как замену традиционного металлического провода. Он может выделить в 3 раза больше тепла, вдобавок расход электроэнергии сокращается примерно на 50%. Любители моделирования сложной техники часто применяют карбоновые трубы, получаемые путем намотки. Эти изделия востребованы также производителями автомобилей и иной техники. Углеволокно часто применяют, к примеру, для ручного тормоза. Также на основе этого материала получают:

• детали для авиационных моделей;
• целиковые капоты;
• велосипеды;
• части для тюнинга автомобилей и мотоциклов.

Панели из углеткани на 18% жестче алюминия и на 14% больше, чем у конструкционной стали. Рукава на базе этого материала нужны, чтобы получать трубы и трубки изменяемого сечения, спиральные изделия различного профиля. Их применяют также для производства и для ремонта клюшек. Стоит еще указать на его использование при выпуске особо прочных чехлов для смартфонов и иных гаджетов. Такие изделия обычно имеют премиальный характер и имеют повышенные декоративные качества.

Что касается дисперсного порошка графитового типа, то он нужен:

• при получении электропроводящих покрытий;
• при выпуске клея различных типов;
• при усилении пресс-форм и некоторых иных деталей.

Шпатлевка с углеволокном по целому ряду параметров лучше традиционной шпаклевки. Подобное сочетание ценится многими специалистами за пластичность, механическую крепость. Состав подходит для прикрытия глубоких дефектов. Стержни или прутки из карбона прочны, легки и служат долго. Такой материал нужен для:

• авиации;
• ракетной отрасли;
• выпуска спортивного инвентаря.

При помощи пиролиза солей карбоновых кислот можно получать кетоны и альдегиды. Отличные тепловые качества углеволокна позволяют использовать его в обогревателях и электро-грелках. Такие нагреватели:

• экономичны;
• надежны;
• отличаются внушительным КПД;
• не распространяют опасные излучения;
• сравнительно компактны;
• отлично автоматизированы;
• эксплуатируются без лишних проблем;
• не распространяют посторонних шумов.

Углерод-углеродные композиты используют при выпуске:

• подставок под тигли;
• конических деталей для вакуумных плавильных печей;
• трубчатых деталей для них же.

Из дополнительных сфер применения можно назвать:

• самодельные ножи;
• использование для лепесткового клапана на двигателях;
• использование в строительстве.

Современные строители давно применяют этот материал не только для наружного армирования. Он нужен еще для упрочнения каменных домов и бассейнов. Оклеечный армирующий слой восстанавливает качества опор и балок в мостах. Также его используют при создании септиков и обрамлении естественных, искусственных водоемов, при работе с кессоном и силосной ямой.

В следующем видео вас ждет дополнительная информация о производстве углеродного волокна.