Углеволокно что такое: 403 — Доступ запрещён – 403 — Доступ запрещён

Углеволокно — это… Что такое Углеволокно?

Углеродное волокно

История

Впервые получение и применение углеродных волокон (УВ) (точнее, нитей) было предложено и запатентовано известным американским изобретателем — Томасом Алва Эдисоном в 1880 г. в качестве нитей накаливания в электрических лампах. Эти волокна получались в результате пиролиза хлопкового или вискозного волокна и отличались хрупкостью и высокой пористостью и впоследствии были заменены вольфрамовыми нитями. В течение последующих 20 лет он же предложил получать углеродные и графитированные волокна на основе различных природных волокон. Вторично интерес к углеродным волокнам появился в середине XX в., когда велись поиски материалов, пригодных для использования в качестве компонентов композитов для изготовления ракетных двигателей. УВ по своим качествам оказались одними из наиболее подходящих для такой роли армирующими материалами, поскольку они обладают высокой термостойкостью, хорошими теплоизоляционными свойствами, коррозионной стойкостью к воздействию газовых и жидких сред, высокими удельными прочностью и жесткостью. В 1958 г. в США были получены УВ на основе вискозных волокон. При изготовлении углеродных волокон нового поколения применялась ступенчатая высокотемпературная обработка ГТЦ-волокон (900 °C, 2500 °C), что позволило достичь значений предела прочности при растяжении 330—1030 МПа и модуля упругости 40 ГПа. Несколько позднее (в 1960 г.) была предложена технология производства коротких монокристаллических волокон («усов») графита с прочностью 20 ГПа и модулем упругости 690 ГПа. «Усы» выращивались в электрической дуге при температуре 3600 °C и давлении 0,27 МПа (2,7 атм). Совершенствованию этой технологии уделялось много времени и внимания на протяжении ряда лет, однако в настоящее время она применяется редко ввиду своей высокой стоимости по сравнению с другими методами получения углеродных волокон. Почти в то же время в России и несколько позже, в 1961 г., в Японии были получены УВ на основе полиакрилонитрильных (ПАН) волокон. Характеристики первых углеродных волокон на основе ПАН были невысоки, но постепенно технология совершенствовалась и уже через 10 лет (к 1970 г.) были получены углеродные волокна на основе ПАН-волокон с пределом прочности 2070 МПа и модулем упругости 480 ГПа. Тогда же была показана возможность получения углеродных волокон по этой технологии с еще более высокими механическими характеристиками: модулем упругости до 800 ГПа и пределом прочности более 3 ГПа. УВ на основе нефтяных пеков были получены в 1970 г. также в Японии. За счет специальных технологических приемов механические свойства УВ из пеков могут быть повышены до уровня волокон на основе ПАН. С этого времени разработки УВ развивались во многих фирмах и организациях мира, которые соревновались в достижении наиболее высоких механических свойств. Это соревнование продолжается и сегодня, однако, достигнув рекордных значений, повышать дальше показатели механических свойств оказалось весьма трудно.

Получение

Рис. 1. Структуры, образующиеся при окислении ПАН-волокна

УВ обычно получают термической обработкой химических или природных органических волокон, при которой в материале волокна остаются главным образом атомы углерода. Температурная обработка состоит из нескольких этапов. Первый из них представляет собой окисление исходного (полиакрилонитрильного, вискозного) волокна на воздухе при температуре 250 °C в течение 24 часов. В результате окисления образуются лестничные структуры, представленные на рис. 1. После окисления следует стадия карбонизации — нагрева волокна в среде азота или аргона при температурах от 800 до 1500 °C. В результате карбонизации происходит образование графитоподобных структур. Процесс термической обработки заканчивается графитизацией при температуре 1600-3000°С, которая также проходит в инертной среде. В результате графитизации количество углерода в волокне доводится до 99 %. Помимо обычных органических волокон (чаще всего вискозных и полиакрилонитрильных), для получения У. в. могут быть использованы специальные волокна из фенольных смол, лигнина, каменноугольных и нефтяных пеков.

Дополнительная переработка УВ

Углеродные волокна могут выпускаться в разнообразном виде: штапелированные (резаные, короткие) нити, непрерывные нити, тканые и нетканые материалы. Наиболее распространенный вид продукции — жгуты, пряжа, ровинги, нетканые холсты. Изготовление всех видов текстильной продукции производится по обычным технологиям, так же как для других видов волокон. Вид текстильной продукции определяется предполагаемым способом использования УВ в композиционном материале, точно так же, как и сам метод получения композита. Основные методы получения композитов, армированных углеродными волокнами, являются обычными для волокнистых материалов: выкладка, литье под давлением, пултрузия и другие. В настоящее время выпускается ряд видов УВ и УВМ, основные из которых перечислены ниже. На основе вискозных нитей и волокон: • нити, ленты, ткани — Урал®; • нетканый материал — Карбопон®; • активированные сорбирующие ткани — Бусофит®,САУТ-1С, АУТ-М; • активированные сорбирующие нетканые материалы — Карбопон-Актив®. На основе вискозных штапельных волокон: • волокна и нетканые материалы: карбонизованые — Углен® (технология восстановлена на Светлогорском ПО «Химволокно») и графитированые — Грален®; На основе ПАН-нитей и жгутов: • ленты и ткани — ЛУ®, УКН®, Кулон®, Элур®. • активированные сорбирующие волокна и нетканые материалы — Актилен®, Ликрон®; • дисперсный порошок из размолотых волокон — Ваулен®, АУТ-МИ (для медицинских целей). На основе ПАН-волокон: • Волокна и нетканые материалы: карбонизованные — Эвлон® и графитированные — Конкор®. Выпускают УВ и за рубежом: в США — Торнел®, Целион®, Фортафил®; в Великобритании — Модмор®, Графил®; в Японии — Торейка®, Куреха-лон® и т. д.[1].

До 2007 г. в СНГ углеродные волокна производятся на двух предприятиях: «Аргон» (г. Балаково, Россия) — производство на основе ПАН (полиакрилонитрила) и РУП «Светлогорское ПО Химволокно» (г. Светлогорск, Беларусь, www.sohim.by) — производство на основе вискозы. Оба предприятия обладают собственными мощностями по производству прекурсора. Предприятие в Беларуси — крупнейший мировой производитель углеволокна из вискозы (http://www.promvest.info/354/5338/). По некоторым данным, продолжают работать обе линии НПО «Химволокно» в г. Мытищи. Существовавшие во времена СССР в г. Бровары (под Киевом, Украина), г. Запорожье (Украина) г. С.-Петербурге (НПО «Химволокно»), г. Шуе (Россия) утрачены безвозвратно. Неясна судьба производств в г. Челябинск и г. Электроугли Московской области. Предположительно, частичное оборудование (печи активации) имеются в распоряжении АО «Неорганика», г. Электросталь.

Компания ОАО «НПК «Химпроминжиниринг» (входит в структуру Росатома)

является единственным в России производителем углеродных волокон и одним из не многих производителей ПАН-прекурсоров, которые выпускаются на ее дочерних предприятиях – ООО «Аргон» (г. Балаково Саратовской области), ООО «Завод углеродных и композиционных материалов» http://zukm.ru/ (г. Челябинск) и ООО «СНВ» (г. Саратов). Так же ПАН-прекурсоры (нить, жгут) выпускает ФГУП «ВНИИСВ» (г.Тверь).Основными потребителями углеродных волокон являются предприятия атомной отрасли, а также авиационные предприятия и предприятия военно-промышленного комплекса. ОАО «НПК «Химпроминжиниринг» планирует к 2020 году выйти на объем производства не менее 3000 тонн углеродных волокон в год.

Свойства

УВ имеют исключительно высокую теплостойкость: при тепловом воздействии вплоть до 1600—2000 °С в отсутствии кислорода механические показатели волокна не изменяются. Это предопределяет возможность применения УВ в качестве тепловых экранов и теплоизоляционного материала в высокотемпературной технике. На основе УВ изготавливают углерод-углеродные композиты, которые отличаются высокой абляционной стойкостью. УВ устойчивы к агрессивным химическим средам, однако окисляются при нагревании в присутствии кислорода. Их предельная температура эксплуатации в воздушной среде составляет 300—350°С. Нанесение на УВ тонкого слоя карбидов, в частности SiC, или нитрида бора позволяет в значительной мере устранить этот недостаток. Благодаря высокой химической стойкости УВ применяют для фильтрации агрессивных сред, очистки газов, изготовления защитных костюмов и др. Изменяя условия термообработки, можно получить УВ с различными электрофизическими свойствами (удельное объёмное электрическое сопротивление от 2·10^-3 до 10^6 ом/см) и использовать их в качестве разнообразных по назначению электронагревательных элементов, для изготовления термопар и др.

Активацией УВ получают материалы с большой активной поверхностью (300—1500 м²/г), являющиеся прекрасными сорбентами. Нанесение на волокно катализаторов позволяет создавать каталитические системы с развитой поверхностью.

Обычно УВ имеют прочность порядка 0,5—1 Гн/м² и модуль 20—70 Гн/м², а подвергнутые ориентационной вытяжке — прочность 2,5—3,5 Гн/м² и модуль 200—450 Гн/м². Благодаря низкой плотности (1,7—1,9 г/м³) по удельному значению (отношение прочности и модуля к плотности) механических свойств УВ превосходят все известные жаростойкие волокнистые материалы. На основе высокопрочных и высокомодульных УВ с использованием полимерных связующих получают конструкционные углеродопласты. Разработаны композиционные материалы на основе УВ и керамических связующих, УВ и углеродной матрицы, а также УВ и металлов, способные выдерживать более жесткие температурные воздействия, чем обычные пластики.

Применение

УВ применяют для армирования композиционных, теплозащитных, хемостойких в качестве наполнителей в различных видах углепластиков. Наиболее емкий рынок для УВ в настоящее время — производство первичных и вторичных структур в самолетах «Боинг» и «Аэробус» (до 30тн на одно изделие). По причине резко возросшего спроса в 2004-2006г.г. на рынке наблюдался большой дефицит волокна, что привело к его резкому удорожанию.

Из УВМ изготовляют электроды, термопары, экраны, поглощающие электромагнитное излучение, изделия для электро- и радиотехники. На основе УВ получают жесткие и гибкие электронагреватели, в том числе ставшие полулярными т.н. «карбоновые нагреватели», обогреваемую одежду и обувь. Углеродный войлок — единственно возможная термоизоляция в вакуумных печах, работающих при температуре 1100 С и выше. Благодаря химической инертности углеволокнистые материалы используют в качестве фильтрующих слоев для очистки агрессивных жидкостей и газов от дисперсных примесей, а также в качестве уплотнителей и сальниковых набивок. УВА и углеволокнистые ионообменники служат для очистки воздуха, а также технологических газов и жидкостей, выделения из последних ценных компонентов, изготовления средств индивидуальной защиты органов дыхания. Широкое применение находят УВА (в частности, актилен) в медицине для очистки крови и других биологических жидкостей. В специальных салфетках для лечения гнойных ран, ожогов и диабетических язв — незаменима ткань АУТ-М, разработанная в начале 80-х годов и опробованная в Афганистане (http://www.health-ua.com/articles/2291.html). Как лекарственное средство применяют при отравлениях (благодаря высокой способности сорбировать яды. Например препарат «Белосорб», или АУТ-МИ на основе светлогорского сорбента), как носители лекарственных и биологически активных веществ. УВ катализаторы используют в высокотемпературных процессах неорганических и органических синтеза, а также для окисления содержащихся в газах примесей (СО до CO2, SO2 до SO3 и др.).

Ссылки

[1] К. Перепелкин, «Текстиль» 2 (4), 2003
[2] С. Симамура. Углеродные волокна. М.: «Мир», 1987 г.
[3] Конкин А. А., Углеродные и другие жаростойкие волокнистые материалы, М., 1974.

Wikimedia Foundation. 2010.

Углеродное волокно — это… Что такое Углеродное волокно?

Углеродное волокно — материал, состоящий из тонких нитей диаметром от 3 до 15 микрон, образованных преимущественно атомами углерода. Атомы углерода объединены в микроскопические кристаллы, выровненные параллельно друг другу. Выравнивание кристаллов придает волокну большую прочность на растяжение. Углеродные волокна характеризуются высокой силой натяжения, низким удельным весом, низким коэффициентом температурного расширения и химической инертностью.

История

Впервые получение и применение углеродных волокон (УВ) (точнее, нитей) было предложено и запатентовано известным американским изобретателем — Томасом Эдисоном — в 1880 г. в качестве нитей накаливания в электрических лампах. Эти волокна получались в результате пиролиза хлопкового или вискозного волокна и отличались хрупкостью и высокой пористостью и впоследствии были заменены вольфрамовыми нитями. В течение последующих 20 лет он же предложил получать углеродные и графитированные волокна на основе различных природных волокон.

Вторично интерес к углеродным волокнам появился в середине XX в., когда велись поиски материалов, пригодных для использования в качестве компонентов композитов для изготовления ракетных двигателей. УВ по своим качествам оказались одними из наиболее подходящих для такой роли армирующими материалами, поскольку они обладают высокой термостойкостью, хорошими теплоизоляционными свойствами, коррозионной стойкостью к воздействию газовых и жидких сред, высокими удельными прочностью и жесткостью.

В 1958 г. в США были получены УВ на основе вискозных волокон. При изготовлении углеродных волокон нового поколения применялась ступенчатая высокотемпературная обработка гидратцеллюлозных (ГТЦ) волокон (900 °C, 2500 °C), что позволило достичь значений предела прочности при растяжении 330—1030 МПа и модуля упругости 40 ГПа. Несколько позднее (в 1960 г.) была предложена технология производства коротких монокристаллических волокон («усов») графита с прочностью 20 ГПа и модулем упругости 690 ГПа. «Усы» выращивались в электрической дуге при температуре 3600 °C и давлении 0,27 МПа (2,7 атм). Совершенствованию этой технологии уделялось много времени и внимания на протяжении ряда лет, однако в настоящее время она применяется редко ввиду своей высокой стоимости по сравнению с другими методами получения углеродных волокон.

Почти в то же время в СССР и несколько позже, в 1961 г., в Японии были получены УВ на основе полиакрилонитрильных (ПАН) волокон. Характеристики первых углеродных волокон на основе ПАН были невысоки, но постепенно технология совершенствовалась и уже через 10 лет (к 1970 г.) были получены углеродные волокна на основе ПАН-волокон с пределом прочности 2070 МПа и модулем упругости 480 ГПа. Тогда же была показана возможность получения углеродных волокон по этой технологии с еще более высокими механическими характеристиками: модулем упругости до 800 ГПа и пределом прочности более 3 ГПа. УВ на основе нефтяных пеков были получены в 1970 г. также в Японии.

Получение

Рис. 1. Структуры, образующиеся при окислении ПАН-волокна

УВ обычно получают термической обработкой химических или природных органических волокон, при которой в материале волокна остаются главным образом атомы углерода. Температурная обработка состоит из нескольких этапов. Первый из них представляет собой окисление исходного (полиакрилонитрильного, вискозного) волокна на воздухе при температуре 250 °C в течение 24 часов. В результате окисления образуются лестничные структуры, представленные на рис. 1. После окисления следует стадия карбонизации — нагрева волокна в среде азота или аргона при температурах от 800 до 1500 °C. В результате карбонизации происходит образование графитоподобных структур. Процесс термической обработки заканчивается графитизацией при температуре 1600-3000 °C, которая также проходит в инертной среде. В результате графитизации количество углерода в волокне доводится до 99 %. Помимо обычных органических волокон (чаще всего вискозных и полиакрилонитрильных), для получения УВ могут быть использованы специальные волокна из фенольных смол, лигнина, каменноугольных и нефтяных пеков.

Дополнительная переработка УВ

Углеродные волокна могут выпускаться в разнообразном виде: штапелированные (резаные, короткие) нити, непрерывные нити, тканые и нетканые материалы. Наиболее распространенный вид продукции — жгуты, пряжа, ровинг, нетканые холсты. Изготовление всех видов текстильной продукции производится по обычным технологиям, так же как для других видов волокон. Вид текстильной продукции определяется предполагаемым способом использования УВ в композиционном материале, точно так же, как и сам метод получения композита. Основные методы получения композитов, армированных углеродными волокнами, являются обычными для волокнистых материалов: выкладка, литье под давлением, пултрузия и другие. В настоящее время выпускается ряд видов УВ и УВМ, основные из которых перечислены ниже.

• На основе вискозных нитей и волокон:
  • нити, ленты, ткани — Урал®;
  • нетканый материал — Карбопон®;
  • активированные сорбирующие ткани — Бусофит®,САУТ-1С, АУТ-М;
  • активированные сорбирующие нетканые материалы — Карбопон-Актив®.
• На основе вискозных штапельных волокон:
  • волокна и нетканые материалы: карбонизованые — Углен® (технология восстановлена на Светлогорском ПО «Химволокно») и графитированые — Грален®;
• На основе ПАН-нитей и жгутов:
  • ленты и ткани — ЛУ®, УКН®, Кулон®, Элур®, ITECWRAP®.
  • активированные сорбирующие волокна и нетканые материалы — Актилен®, Ликрон®;
  • дисперсный порошок из размолотых волокон — Ваулен®, АУТ-МИ (для медицинских целей).
• На основе ПАН-волокон:
  • Волокна и нетканые материалы: карбонизованные — Эвлон® и графитированные — Конкор®.

Выпускают УВ и за рубежом: в США — Торнел®, Целион®, Фортафил®; в Великобритании — Модмор®, Графил®; в Японии — Торейка®, Куреха-лон® и т. д.^[1]

До 2007 г. в СНГ углеродные волокна производились на двух предприятиях: «Аргон» (г. Балаково, Россия) — производство на основе ПАН (полиакрилонитрила) и РУП «Светлогорское ПО Химволокно»^[2] — производство на основе вискозы. Оба предприятия обладают собственными мощностями по производству прекурсора. Предприятие в Беларуси — крупнейший мировой производитель углеволокна из вискозы^[3]. Существовавшие во времена СССР в г. Бровары (под Киевом, Украина), г. Запорожье (Украина) г. С.-Петербурге (НПО «Химволокно»), г. Шуе (Россия) утрачены.

В настоящее время в России углеволокнистые материалы производятся ОАО «НПК «Химпроминжиниринг» (входит в структуру Росатома)^[4], ФГУП НИИграфит^[5], НПЦ «УВИКОМ»^[6], ООО «НИИ ВСУ «ИНТЕР/ТЭК»^[7].

Свойства

УВ имеют исключительно высокую теплостойкость: при тепловом воздействии вплоть до 1600—2000 °С в отсутствии кислорода механические показатели волокна не изменяются. Это предопределяет возможность применения УВ в качестве тепловых экранов и теплоизоляционного материала в высокотемпературной технике. На основе УВ изготавливают углерод-углеродные композиты, которые отличаются высокой абляционной стойкостью. УВ устойчивы к агрессивным химическим средам, однако окисляются при нагревании в присутствии кислорода. Их предельная температура эксплуатации в воздушной среде составляет 300—350°С. Нанесение на УВ тонкого слоя карбидов, в частности SiC, или нитрида бора позволяет в значительной мере устранить этот недостаток. Благодаря высокой химической стойкости УВ применяют для фильтрации агрессивных сред, очистки газов, изготовления защитных костюмов и др. Изменяя условия термообработки, можно получить УВ с различными электрофизическими свойствами (удельное объёмное электрическое сопротивление от 2·10

−3 до 10⁶ ом/см) и использовать их в качестве разнообразных по назначению электронагревательных элементов, для изготовления термопар и др.

Активацией УВ получают материалы с большой активной поверхностью (300—1500 м²/г), являющиеся прекрасными сорбентами. Нанесение на волокно катализаторов позволяет создавать каталитические системы с развитой поверхностью.

Обычно УВ имеют прочность порядка 0,5—1 ГПа и модуль 20—70 ГПа, а подвергнутые ориентационной вытяжке — прочность 2,5—3,5 ГПа и модуль 200—450 ГПа. Благодаря низкой плотности (1,7—1,9 г/см³) по удельному значению (отношение прочности и модуля к плотности) механических свойств лучшие УВ превосходят все известные жаростойкие волокнистые материалы. Удельная прочность УВ уступает удельной прочности стекловолокна и арамидных волокон. На основе высокопрочных и высокомодульных УВ с использованием полимерных связующих получают конструкционные углеродопласты. Разработаны композиционные материалы на основе УВ и керамических связующих, УВ и углеродной матрицы, а также УВ и металлов, способные выдерживать более жесткие температурные воздействия, чем обычные пластики.

Применение

УВ применяют для армирования композиционных, теплозащитных, хемостойких в качестве наполнителей в различных видах углепластиков. Наиболее емкий рынок для УВ в настоящее время — производство первичных и вторичных структур в самолетах различных производителей, в том числе таких компаний как «Боинг» и «Эрбас» (до 30 тонн на одно изделие). По причине резко возросшего спроса в 2004—2006 гг. на рынке наблюдался большой дефицит волокна, что привело к его резкому подорожанию.

Из УВМ изготавливают электроды, термопары, экраны, поглощающие электромагнитное излучение, изделия для электро- и радиотехники. На основе УВ получают жесткие и гибкие электронагреватели, в том числе ставшие популярными т. н. «карбоновые нагреватели», обогреваемую одежду и обувь. Углеродный войлок — единственно возможная термоизоляция в вакуумных печах, работающих при температуре 1100 °C и выше. Благодаря химической инертности углеволокнистые материалы используют в качестве фильтрующих слоев для очистки агрессивных жидкостей и газов от дисперсных примесей, а также в качестве уплотнителей и сальниковых набивок. УВА и углеволокнистые ионообменники служат для очистки воздуха, а также технологических газов и жидкостей, выделения из последних ценных компонентов, изготовления средств индивидуальной защиты органов дыхания. Широкое применение находят УВА (в частности, актилен) в медицине для очистки крови и других биологических жидкостей. В специальных салфетках для лечения гнойных ран, ожогов и диабетических язв — незаменима ткань АУТ-М, разработанная в начале 80-х годов и опробованная при боевых действиях в Афганистане^[8]. В настоящее время широко применяются углеродные сорбирующие салфетки «Сорусал» и «Легиус».^{[источник не указан 303 дня]} Как лекарственное средство применяют при отравлениях (благодаря высокой способности сорбировать яды. Например препарат «Белосорб», или АУТ-МИ на основе светлогорского сорбента), как носители лекарственных и биологически активных веществ. УВ катализаторы используют в высокотемпературных процессах неорганических и органических синтеза, а также для окисления содержащихся в газах примесей (СО до CO₂, SO₂ до SO₃ и др.). Широко применяется при изготовлении деталей кузова в автоспорте, а также в производстве спортивного инвентаря (клюшки, вёсла, лыжи, велосипедные запчасти, обувь ) и т. д.

Ссылки

• С. Симамура. Углеродные волокна. М.: «Мир», 1987.
• Конкин А. А., Углеродные и другие жаростойкие волокнистые материалы, М., 1974.
• СТО 73645443-03-2010 Система высокопрочного усиления железобетонных конструкций ITECWRAP®/ITECRESIN®, Е., 2011.

См.также

Примечания

Углеродное волокно – характеристики и особенности хранения.

В наиболее ответственных изделиях применяют углекомпозиты (углепластики). Согласно расчетам, среди всех возможных соединений, на основе периодической системы элементов, графит имеет самые высокие прочностные и термические характеристики. Углеродное волокно имеет один из наиболее высоких показателей по удельной прочности среди других  волокон. Имеет высокую стойкость к кручению и усталости. Уступая лишь в ударной прочности арамиду и стеклу.

Углеродное волокно-производство

Столь высокую стоимость углеродного волокна обуславливает сложность и энергоемкость процесса его получения.  Смысл процесса состоит в поэтапной чистке углеродосодержащих нитей от ненужных атомов, оставляя в конце процесса до 99% углерода в объеме нити.

УВ получают путем термического разложения (пиролизом) исходных нитей: гидратоцеллюлозных, полиакрилонитрильных (ПАН). Так же нефтяных или каменноугольных пеков. В настоящее время, промышленное значение имеет производство УВ на базе вискозы или ПАН.

Процесс получения УВ на основе ПАН

Следует заметить, что химический состав и структура УВ зависит от состава исходного сырья.

В первую очередь, полиакриловые жгуты подвергают окислению, проводя термическую обработку на воздухе при температуре около 200 °С.

Окисленный ПАН так же представляет интерес в некоторых сферах производства как термостойкий и трудно горючий материал.

После окисления, полотно проходит через печи карбонизации (около 1500 °С) и графитизации (около 3000 °С). На этой стадии удаляются остатки водорода и гетероатомов, происходит образование двойных связей между атомами углерода. Процессы карбонизации и графитизации проводятся в инертной среде.

В завершении процесса карбонизации (в некоторых случаях стадия графитизации может исключаться) жгут имеет готовый химический состав и структуру, но проходит еще ряд этапов для повешения адгезии с матрицей:

— обработка поверхности. Поверхность карбонового полотна вследствие данной реакции становится «шероховатой». Обнажая атомы углерода и создавая свободные функциональные группы способные к ионному обмену.

— нанесение ПАВ (поверхностно активное вещество). Оно же, так называемое аппретирование. В качестве аппрета чаще наносятся эпоксидные смолы без отвердителя. Аппрет защищает от истирания в процессе хранения, транспортировки и текстильной переработки. Вытесняет из пор влагу и воздух.

Этап сушки после нанесения аппрета является завершающим этапом, после которого жгуты наматываются на бобины  (обычно массой до 8 кг).

Характеристики углеродного волокна

Модуль упругости. УВ обычно группируются в соответствии со своим модулем:

• Низкомодульное (HS): 160-270 ГПа;
• Средний модуль (IM): 270-325ГПа;
• Высокомодульное (НМ): 325-440 ГПа;
• Сверхвысокий модуль (UHM): 440+ ГПа;

Диаметр и количество элементарных нитей. Каждый жгут  состоит из тысяч элементарных нитей (филаментов).  Диаметр такой углеродной нити: 5-7 мкм, что в 2-3 раза тоньше человеческого волоса.  В маркировке у любого типа волокна есть обозначения: 3К, 6К, 12К, 24К- это и есть количество филаментов в жгуте  (в тысячах).

Линейная плотность. Кроме обычной плотности, у волокон принято выделять так же линейную. Измеряется она в тексах (tex). Если линейная плотность  указана 800 tex, значит, километр этого жгута имеет массу 800гр.

Прочностные характеристики

Итоговое значение прочности, указываемое в сертификатах качества и т.д. снимается уже с пропитанного и отвержденного жгутика (микропластика). Микропластик- жгут  пропитанный полимерным связующим и отвержденный при воздействии растягивающего напряжения.

УВ достаточно хрупкое поэтому не имеет большого смысла снимать с него прочностные характеристики в непропитанном виде. Так же, для конечного потребителя важнее знать свойства углеродного волокна в отвержденной полимерной матрице, то есть в композите. Поэтому в чаще всего указывают:

• Прочность при растяжении комплексной нити в микропластике. ГПа
• Модуль упругости при растяжении комплексной нити в микропластике. ГПа

Условия транспортировки и хранения углеродного волокна

• Бобины должны храниться в крытых складских помещениях в упакованном виде, коробки должны находиться в горизонтальном положении.
• Рекомендуемые условия хранения.
  • Температура: 0-40 °С. Хранение при минусовой температуре не рекомендуется.
  • Влажность: 40-80%.
• Допускается перевозка в неотапливаемом транспорте при температуре до -30 °С.
• Во избежание конденсации влаги на поверхности. Перед использованием, нераспакованные бобины должны быть выдержаны не менее 48 часов при температуре от 20 до 30 °С и влажности от 40 до 80%.
• При правильных условиях хранения, производитель гарантирует сохранность свойств в течение 2 лет с даты производства.

Заключение

Надо понимать, УВ не является гарантией качества и гарантией сверх прочностных свойств изделия. Сами по себе углеродные  нити довольно хрупкие и ломкие. Без правильных условий полимеризации или при не правильном подборе матрицы или ее не совместимости с нитью можно и не достигнуть заявленных производителем свойств.  К тому же УВ уступает базальту и стеклу в некоторых видах мех. испытаний.  При том, что даже самое дорогое стекло и базальт в 10ки раз дешевле, чем самое дешевое углеродное волокно. В дополнение ко всему, по причине широкого применения углеродных волокон в оборонной промышленности, для того чтобы купить его за рубежом напрямую у производителя необходимо получение лицензии.

Углеродное волокно — Википедия

Углеродное волокно — материал, состоящий из тонких нитей диаметром от 5 до 15 мкм, образованных преимущественно атомами углерода. Атомы углерода объединены в микроскопические кристаллы, выровненные параллельно друг другу. Выравнивание кристаллов придает волокну большую прочность на растяжение. Углеродные волокна характеризуются высокой силой натяжения, низким удельным весом, низким коэффициентом температурного расширения и химической инертностью.

Углеродное волокно Углеродная лента

История

Впервые получение и применение углеродных волокон было предложено и запатентовано в 1880 г. американским изобретателем Эдисоном для нитей накаливания в электрических лампах. Эти волокна получались в результате пиролиза хлопкового или вискозного волокна и отличались высокой пористостью и хрупкостью.

Вторично интерес к углеродным волокнам появился, когда велись поиски материалов, пригодных для использования в качестве компонентов для изготовления ракетных двигателей. Углеродные волокна по своим качествам оказались одними из наиболее подходящих для такой роли армирующими материалами, поскольку они обладают высокой термостойкостью, хорошими теплоизоляционными свойствами, коррозионной стойкостью к воздействию газовых и жидких сред, высокими удельными прочностью и жёсткостью.

Углеродное волокно 3К, 12К, 24К

В 1958 г. в США были получены УВ на основе вискозных волокон. При изготовлении углеродных волокон нового поколения применялась ступенчатая высокотемпературная обработка гидратцеллюлозных (ГТЦ) волокон (900 °C, 2500 °C), что позволило достичь значений предела прочности при растяжении 330—1030 МПа и модуля упругости 40 ГПа. Несколько позднее (в 1960 г.) была предложена технология производства коротких монокристаллических волокон («усов») графита с прочностью 20 ГПа и модулем упругости 690 ГПа. «Усы» выращивались в электрической дуге при температуре 3600 °C и давлении 0,27 МПа (2,7 атм). Совершенствованию этой технологии уделялось много времени и внимания на протяжении ряда лет, однако в настоящее время она применяется редко ввиду своей высокой стоимости по сравнению с другими методами получения углеродных волокон.

Почти в то же время в СССР и несколько позже, в 1961 г., в Японии были получены УВ на основе полиакрилонитрильных (ПАН) волокон. Характеристики первых углеродных волокон на основе ПАН были невысоки, но постепенно технология совершенствовалась и уже через 10 лет (к 1970 г.) были получены углеродные волокна на основе ПАН-волокон с пределом прочности 2070 МПа и модулем упругости 480 ГПа. Тогда же была показана возможность получения углеродных волокон по этой технологии с ещё более высокими механическими характеристиками: модулем упругости до 800 ГПа и пределом прочности более 3 ГПа. УВ на основе нефтяных пеков были получены в 1970 г. также в Японии.

Углеродная ткань плотностью 200 гр/м2

Чэнь и Чун исследовали эффект углеродного волокна с добавкой кремнезема на усадку при высыхании бетона и пришли к выводу, что объемное соотношение углеродного волокна в количестве 0,19% (при средней длине волокна 5мм и диаметре 10 мкм) с отношением микрокремнезема, равным 15% от массы цемента, вызывало снижение усадки при высыхании до 84%. Исследователи обнаружили, что использование углеродного волокна с микрокремнеземом позволяет улучшить такие свойства, как прочность при сжатии и химическая стойкость^[1].

Алхадиси Абдул Кадир и др. исследовали влияние добавки углеродного волокна на механические свойства легкого бетона. Волокно было добавлено в соотношении 0,5% 0,1%, 1,5% по объему. Все составы характеризовалось повышенной прочностью на сжатие и прочностью на разрыв, а также сопротивлению изгибу около 30% , 58% и 35%, соответственно, по сравнению с эталонной смеси^[2].

Получение

Рис. 1. Структуры, образующиеся при окислении ПАН-волокна

УВ обычно получают термической обработкой химических или природных органических волокон, при которой в материале волокна остаются главным образом атомы углерода. Температурная обработка состоит из нескольких этапов. Первый из них представляет собой окисление исходного (полиакрилонитрильного, вискозного) волокна на воздухе при температуре 250 °C в течение 24 часов. В результате окисления образуются лестничные структуры, представленные на рис. 1. После окисления следует стадия карбонизации — нагрева волокна в среде азота или аргона при температурах от 800 до 1500 °C. В результате карбонизации происходит образование графитоподобных структур. Процесс термической обработки заканчивается графитизацией при температуре 1600-3000 °C, которая также проходит в инертной среде. В результате графитизации количество углерода в волокне доводится до 99 %. Помимо обычных органических волокон (чаще всего вискозных и полиакрилонитрильных), для получения УВ могут быть использованы специальные волокна из фенольных смол, лигнина, каменноугольных и нефтяных пеков.

Дополнительная переработка УВ

Углеродные волокна могут выпускаться в разнообразном виде: штапелированные (резаные, короткие) нити, непрерывные нити, тканые и нетканые материалы. Наиболее распространенный вид продукции — жгуты, пряжа, ровинг, нетканые холсты. Изготовление всех видов текстильной продукции производится по обычным технологиям, так же как для других видов волокон. Вид текстильной продукции определяется предполагаемым способом использования УВ в композиционном материале, точно так же, как и сам метод получения композита. Основные методы получения композитов, армированных углеродными волокнами, являются обычными для волокнистых материалов: выкладка, литье под давлением, пултрузия и другие. В настоящее время выпускается ряд видов УВ и УВМ, основные из которых перечислены ниже.

• На основе вискозных нитей и волокон:
  • нити, ленты, ткани;
  • нетканый материал; Файл:Углеродный войлок
  • активированные сорбирующие ткани;
  • активированные сорбирующие нетканые материалы.
• На основе вискозных штапельных волокон:
  • волокна и нетканые материалы: карбонизованые и графитированые;
• На основе ПАН-нитей и жгутов:
  • ленты и ткани ;
  • активированные сорбирующие волокна и нетканые материалы;
  • дисперсный порошок из размолотых волокон.
• На основе ПАН-волокон:
  • Волокна и нетканые материалы: карбонизованные и графитированные.

Свойства

УВ имеют исключительно высокую теплостойкость: при тепловом воздействии вплоть до 1600—2000 °С в отсутствие кислорода механические показатели волокна не изменяются. Это предопределяет возможность применения УВ в качестве тепловых экранов и теплоизоляционного материала в высокотемпературной технике. На основе УВ изготавливают углерод-углеродные композиты, которые отличаются высокой абляционной стойкостью. УВ устойчивы к агрессивным химическим средам, однако окисляются при нагревании в присутствии кислорода. Их предельная температура эксплуатации в воздушной среде составляет 300—370 °С. Нанесение на УВ тонкого слоя карбидов, в частности SiC, или нитрида бора позволяет в значительной мере устранить этот недостаток. Благодаря высокой химической стойкости УВ применяют для фильтрации агрессивных сред, очистки газов, изготовления защитных костюмов и др. Изменяя условия термообработки, можно получить УВ с различными электрофизическими свойствами (удельное объёмное электрическое сопротивление от 2·10⁻³ до 10⁶ Ом/см) и использовать их в качестве разнообразных по назначению электронагревательных элементов, для изготовления термопар и др.

Активацией УВ получают материалы с большой активной поверхностью (300—1500 м²/г), являющиеся прекрасными сорбентами. Нанесение на волокно катализаторов позволяет создавать каталитические системы с развитой поверхностью.

Обычно УВ имеют прочность порядка 0,5—1 ГПа и модуль 20—70 ГПа, а подвергнутые ориентационной вытяжке — прочность 2,5—3,5 ГПа и модуль 200—450 ГПа. Благодаря низкой плотности (1,7—1,9 г/см³) по удельному значению (отношение прочности и модуля к плотности) механических свойств лучшие УВ превосходят все известные жаростойкие волокнистые материалы. Удельная прочность УВ уступает удельной прочности стекловолокна и арамидных волокон. На основе высокопрочных и высокомодульных УВ с использованием полимерных связующих получают конструкционные углеродопласты. Разработаны композиционные материалы на основе УВ и керамических связующих, УВ и углеродной матрицы, а также УВ и металлов, способные выдерживать более жёсткие температурные воздействия, чем обычные пластики.

Применение

УВ применяют для армирования композиционных, теплозащитных, химостойких и других материалов в качестве наполнителей в различных видах углепластиков. Наиболее ёмкий рынок для УВ в настоящее время — производство первичных и вторичных структур в самолетах различных производителей, в том числе таких компаний как «Boeing» и «Airbus» (до 30 тонн на одно изделие). По причине резко возросшего спроса в 2004—2006 гг. на рынке наблюдался большой дефицит волокна, что привело к его резкому подорожанию.

Из УВ изготавливают электроды, термопары, экраны, поглощающие электромагнитное излучение, изделия для электро- и радиотехники. На основе УВ получают жёсткие и гибкие электронагреватели, в том числе ставшие популярными т. н. «карбоновые нагреватели», обогревающие одежду и обувь. Углеродный войлок — единственно возможная термоизоляция в вакуумных печах, работающих при температуре 1100 °C и выше. Благодаря химической инертности углеволокнистые материалы используют в качестве фильтрующих слоёв для очистки агрессивных жидкостей и газов от дисперсных примесей, а также в качестве уплотнителей и сальниковых набивок. УВА и углеволокнистые ионообменники служат для очистки воздуха, а также технологических газов и жидкостей, выделения из последних ценных компонентов, изготовления средств индивидуальной защиты органов дыхания. Широкое применение находят УВА (в частности, актилен) в медицине для очистки крови и других биологических жидкостей. В специальных салфетках для лечения гнойных ран, ожогов и диабетических язв — незаменима ткань АУТ-М, разработанная в начале 80-х годов и опробованная при боевых действиях в Афганистане^[3]. Как лекарственное средство применяют при отравлениях (благодаря высокой способности сорбировать яды. Например препарат «Белосорб», или АУТ-МИ на основе светлогорского сорбента), как носители лекарственных и биологически активных веществ. УВ катализаторы используют в высокотемпературных процессах неорганического и органического синтеза, а также для окисления содержащихся в газах примесей (СО до CO₂, SO₂ до SO₃ и др.). Широко применяется при изготовлении деталей кузова в автоспорте, а также в производстве спортивного инвентаря (клюшки, вёсла, лыжи, велосипедные рамы и компоненты, обувь) и т. д.

Углеволокно применяется в строительстве в различных системах внешнего армирования (СВА) — при его помощи усиливают железобетонные, металлические, каменные и деревянные конструктивные элементы зданий и сооружений с целью устранения последствий разрушения материала и коррозии арматуры в результате длительного воздействия природных факторов и агрессивных сред в процессе эксплуатации, а также для сейсмоусиления. Суть данного метода заключается в повышении прочности элементов, воспринимающих нагрузки в процессе эксплуатации зданий и сооружений, с помощью углеродных тканей, ламелей и сеток. Усиление строительных конструкций углеволокном повышает несущую способность без изменения структурной схемы объекта.

См. также

Примечания

Ссылки

• С. Симамура. Углеродные волокна. М.: «Мир», 1987.
• Конкин А. А., Углеродные и другие жаростойкие волокнистые материалы, М., 1974.
• Время углеродного волокна

Применение углеволокна в строительстве | ИнноваСтрой

Немного истории: как появился карбон 

На сегодняшний день углерод в том или ином виде востребован практически во всех промышленных отраслях. Особенностью и главным его преимуществом является то, что он способен гармонично дополнять традиционные строительные материалы, будь то стекло, метал, дерево или бетон или же и вовсе заменить их, что весьма выгодно и для человека, и для природы.

 

Открыт углерод еще в 1880 году Т. Эдисоном в процессе исследования нити лампы накаливания. Благодаря зарубежным производителям и промышленникам углеволокно стало активно применяться в различных отраслях, в том числе и в строительстве. На территории нашей страны последние проекты с использованием углеволокна разрабатывались еще в советские времена, потому сейчас они активно реанимируются инженерами.

Углеволокно: характеристика материала и особенности его использования 

Углеродное волокно является продуктом искусственного происхождения и относится к полимерам с композитной структурой. Формируется из тонких нитей (диаметр от 3 до 15 микрон), а нити, в свою очередь, из атомов углерода, которые объединяются в кристаллическую сетку. За счёт физических особенностей атома углерода, кристаллы в сетке располагаются параллельно относительно друг друга. Такое выравнивание является ключевым фактором, который способствует повышенной прочности волокна на растяжение.

 

Широкое использование углеволокна в аэрокосмической сфере и оборонной промышленности, а также для сооружения зданий обосновано тем, что по твердости материал значительно превосходит металл. Углеволокно в строительстве начали использовать в 1980 году в Калифорнии для укрепления построек, находящихся в сейсмически активной зоне. В отечественном строительстве материал применяется, как правило, в процессе ремонтных работ, но его популярность и сфера использования постепенно растет.

 

Технические характеристики и плюсы применения в строительстве 

Столь продолжительный эксплуатационный срок углеволокна обусловлен такими характеристиками:

 

• Отличная адгезия к поверхностям с различной структурой.
• Высокая устойчивость к коррозийным процессам.
• Лёгкость и прочность. Благодаря тому, что углеволокно обладает поразительной лёгкостью, его используют в системах армирования, что позволяет снизить нагрузку на фундамент здания.
• Изоляция от влаги. Поверхность углепластикового волокна является глянцевой, что исключает возможность его реакции с водой.
• Высокая огнеупорность и ударопрочность.
• При использовании для армирования, можно наносить материал в несколько слоёв.
• Проведение ремонтных работ любого типа, где возможно применение углеволокна, может осуществляться без прекращения эксплуатации самого здания.
• Является полностью токсически безопасным и экологически чистым.
• Высокая степень универсальности. Может использоваться при армировании конструкций практически любых конфигураций: на ребристых поверхностях, закругленных и угловых элементах, балочных сегментах рамных конструкций и пр.

 

Составляющей углеродного волокна является полиакрилнитрит, который предварительно обрабатывается высокой температурой (в пределах 3000° — 5000°С). Учитывая вышеописанные технические характеристики, наиболее частой сферой применения углеволокна в строительстве является внешнее армирование.

 

При этом волокно пропитывается двухкомпонентной эпоксидной смолой, которая выступает связующим веществом. Монтаж производится аналогично обоям – материал просто наклеивается на поверхность конструкции, которая укрепляется.

Использование именно эпоксидной смолы в качестве связующего вещества обусловлено следующими особенностями материала:

 

1. Такая смола имеет высокие адгезивные свойства по отношению к бетонным поверхностям.
2. Компоненты углеволокна и смолы вступают между собой в химическую реакцию, в результате которой углеводород приобретает жёсткость пластика и становится прочнее стали в 7 раз.

 

Благодаря таким характеристикам углеволокно занимает лидирующие позиции среди композитных материалов. Прочность материала на разрыв в 4 раза превосходит сталь лучших марок, несмотря на то, что он на 75% легче железа и на 30% алюминия. Удельный вес углеродного волокна относительно низкий, а при нагревании материал расширяется незначительно, что обеспечивает возможность применение углеволокна в различных климатических зонах.

 

Недостатки углеволокна

 

Список недостатков карбона короткий, но обязательно должны быть учтены при планировании строительства. Выделяют три основных недостатка:

 

1. Углеволокно является хорошим отражателем электрических волн.
2. Материал отличается высокой стоимостью в сравнении с аналогами.
3. Изготовление композита более трудоёмкое, чем производство металла.

 

Применение углеродного волокна в строительстве: основные варианты 

Эффективность карбона позволяет успешно применять его для армирования конструкций из дерева, кирпича или железобетона. Согласно СНиП и ГОСТ, сооружение, усиленное таким материалом, становится прочнее на сжатие до 120%, а на изгиб получает еще плюс 65% прочности.

 

Помимо такого варианта использования, углеродное волокно также успешно используется для реставрации каменных конструкций, к примеру, балок и опор бетонных мостов. В частном строительстве усиление фундамента или стен посредством карбона придаст сооружению большой запас прочности.

 

Усиление построек с помощью армирования карбоном необходимо в таких случаях:

 

• Конструкция была повреждена, в результате чего её несущая способность снизилась, стали появляться трещины.
• Изменились условия эксплуатации помещения, возросли нагрузки на него.
• Планируется постройка здания в сейсмически активной зоне.
• Для устранения разрушений бетона и коррозийных процессов в арматуре, если постройка долгое время подвергалась агрессивному воздействию внешней среды.

 

Если углеродное волокно было выбрано на этапе проектирования постройки, как один из компонентов системы внешнего армирования, то в работе следует руководствоваться Сводом правил 164.1325800.2014.

 

Производя армирование самостоятельно, нужно учитывать, что наклеивание карбона осуществляется в зонах наибольшей нагрузки: как правило, это центральная часть пролета, которая соприкасается с нижней гранью. Для работы с изгибами можно выбрать любой тип материала – ленты, сетки или ламели.

 

В процессе армирования балок может возникнуть необходимость дополнительного укрепления приопорных зон, что повысит несущую способность всей конструкции при поперечной нагрузке. Для этого используют U-образные хомуты из лент или сеток.

 

Где следует осуществлять внешнее армирование карбоном 

 

Углеволокно в строительстве может быть использовано для усиления зданий и сооружений из таких материалов:

 

1. Камень. Сюда относят столбы, пилоны, кирпичные дома. Углеволокно применимо здесь как в процессе постройки, так и для проведения рементных работ.
2. Железобетон. Здесь углеродное волокно может быть использовано для гидротехнических построек, мостов, паток архитектуры.
3. Металл. Такие сооружения имеют близкий к углеволокну модуль прочности и упругости, но их усиление все равно необходимо, особенно в зонах с неустойчивыми грунтами.

 

Условия успешного процесса армирования внешних конструкций

 

Чтобы процесс усиления постройки прошёл максимально эффективно, следует обеспечить ряд таких условий:

 

• Надежное сцепление с поверхностью здания. Чем лучше армирующая сетка из углеволокна будет приклеена к конструкции, тем более эффективной будет передача усилий на неё.
• Отсутствие естественной влаги. Важно обеспечить сухость поверхности, армирование которой будет проводиться.
• Материалы, используемые в работе (особенно клеевые составы) должны отличаться высоким качеством и отличными характеристиками для обеспечения максимальной эффективности.

Профессиональное внешнее армирование углеволокном 

Несмотря на возрастающую популярность использования углеродного волокна, технология его применения остаётся достаточно сложной для домашнего мастера. Потому если вы хотите осуществить строительные или ремонтные работы с таким композитным материалом, то следует доверить это профессионалам. Компания ИнноваСтрой уже много лет успешно осуществляет проекты по возведению объектов разной сложности.

 

Нашей фирме по силам любые задачи: начиная от проектирования постройки до сдачи готового объекта с отделкой. Что касается углеволокна, то это очень дорогой материал, который требует определенных навыков его монтажа, а также наличие специального оборудования. Для успешного выполнения армирования следует подготовить поверхность и сам композитный материал, правильно осуществить его монтаж (что зависит от типа конструкции), а затем грамотно нанести следующие слои.

 

ИнноваСтрой готова взяться за весь спектр работ по армированию постройки, а также выполнить ремонтные работы уже готовых сооружений с укреплением их карбоном. Мы работаем в строительной сфере уже не первый год и знаем территориальные особенности каждого региона, а потому сможем рассчитать целесообразное количество материала.

 

Сотрудничество домов и коттеджей с нами является гарантией таких преимуществ:

 

• Мы можем проводить встречи с клиентами удаленно. Данная функция наиболее выгодна, когда у заказчика нет возможности посетить наш офис лично. В таком случае, мы предлагаем связь по Скайпу или посредством другой удобной программы.
• Приемлемые цены на услуги строительной компании. Стоимость наших работ всегда очень разумна и рассчитывается исходя из определенных критериев.
• Индивидуальный подход. Каждый клиент очень ценен для нас, потому мы выслушиваем все ваши требования или пожелания по проекту и выполняем работу так, как было согласовано.
• Широкий спектр предоставляемых услуг. Наш штат имеет квалифицированных специалистов из разных отраслей строительства и отделки помещений.

 

Убедиться в нашем профессионализме вы можете, связавшись с менеджером компании по телефону. Мы с радостью ответим на все ваши вопросы и предоставим консультацию. Настало время заказать индивидуальный проект дома и получить жилье своей мечты!

Углеродное волокно, его свойства и применение

Углеродное волокно и композиционные материалы на его основе.

 

 

Углеродное волокно и композиционные материалы на его основе обладают высокой прочностью, химической инертностью, низким удельным весом, низкой теплопроводностью.

 

Углеродное волокно как материал – основа для производства композиционных материалов

Свойства, характеристики и преимущества углеродного волокна

Применение углеродных волокон. Усиление углеродным волокном. Прочность углеродных волокон

 

Углеродное волокно как материал – основа для производства композиционных материалов:

Углеродное волокно – материал, состоящий из тонких нитей диаметром от 3 до 15 микрон, образованных преимущественно атомами углерода. Атомы углерода объединены в микроскопические кристаллы, выровненные параллельно друг другу. Выравнивание кристаллов придает волокну большую прочность на растяжение и пр. свойства.

Углеродное волокно является основой для производства углепластиков (или карбона, карбонопластиков, от “carbon”, “carbone” – углерод). Углепластики – полимерные композиционные материалы из переплетенных нитей углеродного волокна, расположенных в матрице из полимерных (чаще эпоксидных) смол.

На основе углеродного волокна производят:

– композитную (углеродную) арматуру. Углеродная арматура представляет собой материал, который состоит из основы в виде углеродного волокна и связующего: термореактивной синтетической смолы. Углеродная арматура изготовляется методом пултрузии — протяжкой пропитанных связующим армирующих волокон через нагретую формообразующую фильеру;

– двунаправленные ткани: комбинированную (углеродную и арамидную) ткани, стеклоткань саржевого или полотняного переплетения, углеродную ткань саржевого или полотняного плетения, углеродную ткань-сатин;

– дизайнерские ткани;

– мультиаксиальные ткани: биаксильные ткани, квадроаксильные ткани,

– углеродное нетканое полотно. Нити углеродного волокна в однонаправленных нетканых материалах располагаются строго параллельно друг другу. Нити фиксируются стеклянной сеткой и/или эпоксидным биндером;

– однонаправленные углеродные ленты. Однонаправленные углеродные ленты – это текстиль, где свыше 75% волокон расположены в одном направлении. В качестве утка используется стекловолокно или арамидное волокно;

– препреги. Препреги — композиционные материалы-полуфабрикаты. Их получают путем пропитки армирующей волокнистой основы равномерно распределенными полимерными связующими. Пропитка осуществляется таким образом, чтобы максимально реализовать физико-механические свойства армирующего материала. Методы с использованием пропитки волокна позволяют на 30% улучшить свойства материала;

– системы внешнего армирования;

– преформу-рукав;

– фибру. Фибра – нарезанное углеродное волокно. Используется в качестве усиливающей добавки в бетон, асфальтобетон;

– прочие материалы: жгуты, углерод-углеродные композиционные материалы, фибры и т.д.

 

Свойства, характеристики и преимущества углеродного волокна:

– высокая (непревзойденная) прочность, 

– высокая предельная прочность на разрыв,

– химическая инертность, устойчивость к воздействию большинства химически агрессивных реагентов,

– отсутствие коррозии,

– высокий предел выносливости,

– низкий вес, низкий удельный вес (неувеличение веса конструкции),

– коэффициент температурного расширения ~ 0,

– линейно упругие до разрушения,

– легкая укладка,

– высокая жесткость,

– высокая жаропрочность,

– высокая стойкость к высоким и низким температурам (в т.ч.  вакууме),

– стойкость к высокому давлению,

– радиационная стойкость,

– стойкость к высоким вибрационным нагрузкам,

– низкая теплопроводность,

– немагнитность,

– высокая ударостойкость,

– высокое вибро-, звуко- и радиопоглощение,

– высокая прочность на изгиб.

 

Применение углеродных волокон. Усиление углеродным волокном. Прочность углеродных волокон:

– строительство: углеродная композитная арматура, фибра в бетон, фибра в асфальт, системы внешнего армирования. Например, использование системы внешнего армирования на основе углеродного волокна увеличивает грузоподъемность несущих конструкций (мостов, промышленных, складских, жилых зданий) до 4 раз, сокращает время ремонта строительных сооружений и трудозатраты в 10 раз, срок службы конструкции увеличивается также в несколько раз;

– авиация. Например, создание цельных композитных деталей. Сочетание легкости и прочности получаемых изделий позволяет заменить алюминиевые сплавы углепластиковыми. Композитные детали, при их весе в 5 раз меньшем, чем аналогичных алюминиевых, обладают большей прочностью, гибкостью, устойчивостью к давлению и некоррозийностью. Использование композитов в конструкции авиалайнера позволяет снизить его вес на 15-30%, что позволяет сэкономить расход топлива и улучшить экологические показатели;

– атомная промышленность.  Углеродное волокно используются при создании энергетических реакторов, где основным требованием к используемым материалам является их стойкость к высоким температурам, высокому давлению и радиационная стойкость. Кроме этого, в атомной отрасли особое внимание отдается общей прочности внешних конструкций, поэтому система внешнего армирования также имеет обширное применение;

– автомобилестроение. Карбон (или углепластик) используется для производства как отдельных деталей и узлов, так и для автомобильных корпусов целиком. Высокое отношение прочности к весу позволяет создавать безопасные, и в то же время экономичные автомобили: снижение веса автомобиля за счет углепластиков на 30 % позволяет снизить выброс CO2 в атмосферу на 16% (!), благодаря снижению расхода топлива в несколько раз;

– гражданская аэрокосмическая отрасль;

– судостроение. Углеродное волокно является лучшим материалом для проектирования и создания новых материалов и конструкций из них различных видов гражданских судов. Низкий удельный вес углепластика позволяет увеличить скорость катера в 2-3 раза;

– ветроэнергетика. Углепластики позволяют создавать более длинные лопасти, которые, в свою очередь, обладают большей энергопроизводительностью;

– железнодорожная отрасль. Улепластики позволяют облегчить конструкцию железнодорожных вагонов, снизив тем самым общий вес составов, что позволяет в дальнейшем как увеличивать их длину, так и улучшать скоростные характеристики. В то же время углепластики могут использоваться и при строительстве железнодорожного полотна и прокладке железнодорожных проводов, сокращая необходимое количество опор и в то же время снижая риск их провисания;

– электроэнергетике. Например, композитный сердечник в 4,7 раза легче стального и в 2 – 2,5 раза прочнее;

– в быту. Углеродное волокно и композиционные материалы интенсивно входят в привычный мир каждого человека. Из них создаются многие товары народного потребления: предметы интерьера, детали бытовых приборов, спортивная экипировка и инвентарь, детали ЭВМ и многое другое.

 

карта сайта

карбоновая углеродная ткань
применение купить кабель нагревательное однонаправленное углеродное волокно производство в россии цена обогрев для обогрева инкубатора производитель из пропиленового волокна применение свойства карбон углеткань
производство оборудование изготовление технология получение пленка теплый пол сетка велосипед картридж ммв трубка стоимость автомобили удочка греющий нагревательный кабель из сырье для углеродного волокна в россии купить нагреватель
качество прочность использование композиционные материалы на основе оборудование для производства углеродных волокон ткань
усиление нить углеродным волокном
как клеить пластик нагревательный элемент углеродное волокно купить украина в москве обогрев киев
активированные углеродные волокна 3932
углеродное волокно что это производство Россия купить в москве для обогрева усиление ткань материал кабель получение производство теплый пол свойства пропитка применение нить композит карбон удочка технология велосипед пленка качество

 

Коэффициент востребованности 753

Углеродное волокно Википедия

Углеродное волокно — материал, состоящий из тонких нитей диаметром от 5 до 15 мкм, образованных преимущественно атомами углерода. Атомы углерода объединены в микроскопические кристаллы, выровненные параллельно друг другу. Выравнивание кристаллов придает волокну большую прочность на растяжение. Углеродные волокна характеризуются высокой силой натяжения, низким удельным весом, низким коэффициентом температурного расширения и химической инертностью.

Углеродное волокно Углеродная лента

История

Впервые получение и применение углеродных волокон было предложено и запатентовано в 1880 г. американским изобретателем Эдисоном для нитей накаливания в электрических лампах. Эти волокна получались в результате пиролиза хлопкового или вискозного волокна и отличались высокой пористостью и хрупкостью.

Вторично интерес к углеродным волокнам появился, когда велись поиски материалов, пригодных для использования в качестве компонентов для изготовления ракетных двигателей. Углеродные волокна по своим качествам оказались одними из наиболее подходящих для такой роли армирующими материалами, поскольку они обладают высокой термостойкостью, хорошими теплоизоляционными свойствами, коррозионной стойкостью к воздействию газовых и жидких сред, высокими удельными прочностью и жёсткостью.

Углеродное волокно 3К, 12К, 24К

В 1958 г. в США были получены УВ на основе вискозных волокон. При изготовлении углеродных волокон нового поколения применялась ступенчатая высокотемпературная обработка гидратцеллюлозных (ГТЦ) волокон (900 °C, 2500 °C), что позволило достичь значений предела прочности при растяжении 330—1030 МПа и модуля упругости 40 ГПа. Несколько позднее (в 1960 г.) была предложена технология производства коротких монокристаллических волокон («усов») графита с прочностью 20 ГПа и модулем упругости 690 ГПа. «Усы» выращивались в электрической дуге при температуре 3600 °C и давлении 0,27 МПа (2,7 атм). Совершенствованию этой технологии уделялось много времени и внимания на протяжении ряда лет, однако в настоящее время она применяется редко ввиду своей высокой стоимости по сравнению с другими методами получения углеродных волокон.

Почти в то же время в СССР и несколько позже, в 1961 г., в Японии были получены УВ на основе полиакрилонитрильных (ПАН) волокон. Характеристики первых углеродных волокон на основе ПАН были невысоки, но постепенно технология совершенствовалась и уже через 10 лет (к 1970 г.) были получены углеродные волокна на основе ПАН-волокон с пределом прочности 2070 МПа и модулем упругости 480 ГПа. Тогда же была показана возможность получения углеродных волокон по этой технологии с ещё более высокими механическими характеристиками: модулем упругости до 800 ГПа и пределом прочности более 3 ГПа. УВ на основе нефтяных пеков были получены в 1970 г. также в Японии.

Углеродная ткань плотностью 200 гр/м2

Чэнь и Чун исследовали эффект углеродного волокна с добавкой кремнезема на усадку при высыхании бетона и пришли к выводу, что объемное соотношение углеродного волокна в количестве 0,19 % (при средней длине волокна 5 мм и диаметре 10 мкм) с отношением микрокремнезема, равным 15 % от массы цемента, вызывало снижение усадки при высыхании до 84 %. Исследователи обнаружили, что использование углеродного волокна с микрокремнеземом позволяет улучшить такие свойства, как прочность при сжатии и химическая стойкость^[1].

Алхадиси Абдул Кадир и другие исследовали влияние добавки углеродного волокна на механические свойства легкого бетона. Волокно было добавлено в соотношении 0,5 %, 0,1 %, 1,5 % по объёму. Все составы характеризовалось повышенной прочностью на сжатие и прочностью на разрыв, а также сопротивлению изгибу около 30 %, 58 % и 35 %, соответственно, по сравнению с эталонной смеси^[2].

Получение

Рис. 1. Структуры, образующиеся при окислении ПАН-волокна

УВ обычно получают термической обработкой химических или природных органических волокон, при которой в материале волокна остаются главным образом атомы углерода. Температурная обработка состоит из нескольких этапов. Первый из них представляет собой окисление исходного (полиакрилонитрильного, вискозного) волокна на воздухе при температуре 250 °C в течение 24 часов. В результате окисления образуются лестничные структуры, представленные на рис. 1. После окисления следует стадия карбонизации — нагрева волокна в среде азота или аргона при температурах от 800 до 1500 °C. В результате карбонизации происходит образование графитоподобных структур. Процесс термической обработки заканчивается графитизацией при температуре 1600-3000 °C, которая также проходит в инертной среде. В результате графитизации количество углерода в волокне доводится до 99 %. Помимо обычных органических волокон (чаще всего вискозных и полиакрилонитрильных), для получения УВ могут быть использованы специальные волокна из фенольных смол, лигнина, каменноугольных и нефтяных пеков.

Дополнительная переработка УВ

Углеродные волокна могут выпускаться в разнообразном виде: штапелированные (резаные, короткие) нити, непрерывные нити, тканые и нетканые материалы. Наиболее распространенный вид продукции — жгуты, пряжа, ровинг, нетканые холсты. Изготовление всех видов текстильной продукции производится по обычным технологиям, так же, как для других видов волокон. Вид текстильной продукции определяется предполагаемым способом использования УВ в композиционном материале, точно так же, как и сам метод получения композита. Основные методы получения композитов, армированных углеродными волокнами, являются обычными для волокнистых материалов: выкладка, литье под давлением, пултрузия и другие. В настоящее время выпускается ряд видов УВ и УВМ, основные из которых перечислены ниже.

• На основе вискозных нитей и волокон:
  • нити, ленты, ткани;
  • нетканый материал;
  • активированные сорбирующие ткани;
  • активированные сорбирующие нетканые материалы.
• На основе вискозных штапельных волокон:
  • волокна и нетканые материалы: карбонизованые и графитированые;
• На основе ПАН-нитей и жгутов:
  • ленты и ткани ;
  • активированные сорбирующие волокна и нетканые материалы;
  • дисперсный порошок из размолотых волокон.
• На основе ПАН-волокон:
  • Волокна и нетканые материалы: карбонизованные и графитированные.

Свойства

УВ имеют исключительно высокую теплостойкость: при тепловом воздействии вплоть до 1600—2000 °С в отсутствие кислорода механические показатели волокна не изменяются. Это предопределяет возможность применения УВ в качестве тепловых экранов и теплоизоляционного материала в высокотемпературной технике. На основе УВ изготавливают углерод-углеродные композиты, которые отличаются высокой абляционной стойкостью. УВ устойчивы к агрессивным химическим средам, однако окисляются при нагревании в присутствии кислорода. Их предельная температура эксплуатации в воздушной среде составляет 300—370 °С. Нанесение на УВ тонкого слоя карбидов, в частности, SiC или нитрида бора, позволяет в значительной мере устранить этот недостаток. Благодаря высокой химической стойкости УВ применяют для фильтрации агрессивных сред, очистки газов, изготовления защитных костюмов и др. Изменяя условия термообработки, можно получить УВ с различными электрофизическими свойствами (удельное объёмное электрическое сопротивление от 2⋅10⁻³ до 10⁶ Ом/см) и использовать их в качестве разнообразных по назначению электронагревательных элементов, для изготовления термопар и др.

Активацией УВ получают материалы с большой активной поверхностью (300—1500 м²/г), являющиеся прекрасными сорбентами. Нанесение на волокно катализаторов позволяет создавать каталитические системы с развитой поверхностью.

Обычно УВ имеют прочность порядка 0,5—1 ГПа и модуль 20—70 ГПа, а подвергнутые ориентационной вытяжке — прочность 2,5—3,5 ГПа и модуль 200—450 ГПа. Благодаря низкой плотности (1,7—1,9 г/см³) по удельному значению (отношение прочности и модуля к плотности) механических свойств лучшие УВ превосходят все известные жаростойкие волокнистые материалы. Удельная прочность УВ уступает удельной прочности стекловолокна и арамидных волокон. На основе высокопрочных и высокомодульных УВ с использованием полимерных связующих получают конструкционные углеродопласты. Разработаны композиционные материалы на основе УВ и керамических связующих, УВ и углеродной матрицы, а также УВ и металлов, способные выдерживать более жёсткие температурные воздействия, чем обычные пластики.

Применение

УВ применяют для армирования композиционных, теплозащитных, химостойких и других материалов в качестве наполнителей в различных видах углепластиков. Наиболее ёмкий рынок для УВ в настоящее время — производство первичных и вторичных структур в самолетах различных производителей, в том числе таких компаний как «Boeing» и «Airbus» (до 30 тонн на одно изделие). По причине резко возросшего спроса в 2004—2006 гг. на рынке наблюдался большой дефицит волокна, что привело к его резкому подорожанию.

Из УВ изготавливают электроды, термопары, экраны, поглощающие электромагнитное излучение, изделия для электро- и радиотехники. На основе УВ получают жёсткие и гибкие электронагреватели, в том числе ставшие популярными т. н. «карбоновые нагреватели», обогревающие одежду и обувь. Углеродный войлок — единственно возможная термоизоляция в вакуумных печах, работающих при температуре 1100 °C и выше. Благодаря химической инертности углеволокнистые материалы используют в качестве фильтрующих слоёв для очистки агрессивных жидкостей и газов от дисперсных примесей, а также в качестве уплотнителей и сальниковых набивок. УВА и углеволокнистые ионообменники служат для очистки воздуха, а также технологических газов и жидкостей, выделения из последних ценных компонентов, изготовления средств индивидуальной защиты органов дыхания. Широкое применение находят УВА (в частности, актилен) в медицине для очистки крови и других биологических жидкостей. В специальных салфетках для лечения гнойных ран, ожогов и диабетических язв незаменима ткань АУТ-М, разработанная в начале 80-х годов и опробованная при боевых действиях в Афганистане^[3]. Как лекарственное средство применяют при отравлениях (благодаря высокой способности сорбировать яды. Например, препарат «Белосорб», или АУТ-МИ на основе светлогорского сорбента), как носители лекарственных и биологически активных веществ. УВ-катализаторы используют в высокотемпературных процессах неорганического и органического синтеза, а также для окисления содержащихся в газах примесей (СО до CO₂, SO₂ до SO₃ и др.). Широко применяется при изготовлении деталей кузова в автоспорте, а также в производстве спортивного инвентаря (клюшки, вёсла, лыжи, велосипедные рамы и компоненты, обувь) и т. д.

Углеволокно применяется в строительстве в различных системах внешнего армирования (СВА) — при его помощи усиливают железобетонные, металлические, каменные и деревянные конструктивные элементы зданий и сооружений с целью устранения последствий разрушения материала и коррозии арматуры в результате длительного воздействия природных факторов и агрессивных сред в процессе эксплуатации, а также для сейсмоусиления. Суть данного метода заключается в повышении прочности элементов, воспринимающих нагрузки в процессе эксплуатации зданий и сооружений, с помощью углеродных тканей, ламелей и сеток. Усиление строительных конструкций углеволокном повышает несущую способность без изменения структурной схемы объекта.

См. также

Примечания

Ссылки

• С. Симамура. Углеродные волокна. М.: «Мир», 1987.
• Конкин А. А., Углеродные и другие жаростойкие волокнистые материалы, М., 1974.