Реклама на портале

Из чего делают углеродное волокно. Углеродное волокно, что это такое, применение карбона в современном строительстве. Условия успешного процесса армирования внешних конструкций

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.

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» - производство на основе вискозы. Оба предприятия обладают собственными мощностями по производству прекурсора . Предприятие в Беларуси - крупнейший мировой производитель углеволокна из вискозы . 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) , ФГУП НИИграфит , НПЦ «УВИКОМ» , ООО "НИИ ВСУ "ИНТЕР/ТЭК" .

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 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 . В настоящее время широко применяются углеродные сорбирующие салфетки "Сорусал" и "Легиус". 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 CO 2 , SO 2 до SO 3 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

Волокна
Природные (натуральные)
Животные Шерсть · Кетгут · Мохер · Кашемир · Паутина · Шёлк
Растительные

Композитные материалы давно не удивляют ни строителей, ни заказчиков. Все знают об их уникальных свойствах, способности намного лучше противостоять агрессивным внешним факторам, чем традиционные материалы. Вместе с тем жизнь не стоит на месте, и каждый год в этой сфере появляются новые разработки.

Об одной из них – углебетоне – стоит рассказать подробно. Об идее его создания, свойствах и перспективах внедрения в строительство.

Углеволокно – материал давно известный и очень востребованный в разных сферах промышленного производства. Но довольно дорогой.

Процесс получения графитовых нитей заключается в многоэтапном нагреве полиакрилонитрильных или вискозных волокон в разных средах до стадии обугливания. В результате чего и появляется материал, состоящий из чистого углерода.

Свойства углеволокна

Толщина углеродной нити всего 5-10 мкм, что тоньше человеческого волоса. Состоит она из выстроенных в кристаллическую решетку цепочек атомов углерода.

  • Для производства волокон, нити соединяются в жгуты, в которых их может быть до 50000.
  • Какие же свойства материала привлекли к нему внимание и позволили использовать при производстве конструкций, работающих в самых сложных условиях эксплуатации?
  • В первую очередь это уникальная прочность на разрыв. Она в четыре раза превышает такой же показатель для лучших марок стали.

Это интересно. Чтобы разорвать стержень из углепластика толщиной 5 мм, потребуется усилие в 2500 кг. Тогда как такой же стержень из чугуна разрушится при 150 кг.

При этом плотность углеволокна в четыре раза ниже, чем у той же стали. Соответственно и весит материал вчетверо меньше.

Где применяется углеволокно

Композитные материалы, в которых в качестве армирующего элемента используется углеволокно, применяются в машино- и самолетостроении, производстве спортивного инвентаря, строительстве.

Нас интересует именно строительство, поэтому остановимся на этой области применения:

  • Здесь углеродное волокно является основой для армирующих лент, полотен и даже композитной арматуры для бетонных конструкций.
  • Ленты и полотна из графитных нитей представляют собой текстильный материал особого плетения, пропитанный смолами;
  • Арматура – это стержни из углеродных волокон, пропитанных затвердевшим полимерным связующим.

Для справки. Чтобы обеспечить надежное сцепление с бетоном, на поверхность стержней наносится песчаное покрытие либо формируются выступающие ребра.

Углеволоконная арматура Армирующий каркас из композитных стержней Углеволоконная армирующая сетка Усиление перекрытий с использованием сетки

Углеткань обладает очень высокой прочностью, поэтому с её помощью усиливают новые конструкции, или возвращают утраченные характеристики старым.

Все это пока имеет мало общего с углебетоном. Но именно особые свойства углеродного волокна и натолкнули немецких ученых на мысль о создании нового материала.

Что такое углебетон

Итак, ученые из дрезденского Института монолитного строительства, решили заменить металлическую арматуру в бетоне углеродистым волокном. Вернее, текстильным материалом, полученным из него путем переплетения с получением особой решетчатой структуры.

В результате они получили материал, буквально по всем параметрам превосходящий все известные сегодня виды бетонов. С намного большей прочностью, и меньшей удельной массой.

Внешне материал мало отличается от традиционного бетона Структура углебетона Строительный блок из углебетона

Несмотря на кажущуюся простоту изобретения, ученые-химики работали над ним несколько десятилетий, добиваясь, чтобы углеволоконный текстиль надежно сцеплялся с бетонной смесью. Для этого его обрабатывают специальным покрытием, состав которого пока держится в тайне изготовителем.

Технологии изготовления изделий из углебетона

На данный момент разработано два способа производства углебетонных изделий:

  1. Набор слоев. Технология заключается в послойной укладке текстильного полотна на бетон с последующей заливкой. То есть, на слой смеси укладывается текстиль, заливается тонким слоем бетона, и так поочередно до получения требуемой толщины.
  2. Заливка в опалубку. Традиционный способ, при котором в опалубке или форме сначала фиксируется углеволоконная арматура, затем заливается бетонная смесь.

Преимущества материала

При сравнении с железобетоном, углебетон выдает следующие преимущества:

  • Он намного легче, что облегчает и ускоряет строительство;
  • Углебетон прочнее в несколько раз;
  • Он не трескается, а находящаяся внутри арматура не ржавеет, в то время как железобетон со временем начинает разрушаться именно по этой причине.

  • Как следствие двух последних пунктов, углебетон гораздо долговечнее и надежнее аналогов с металлическим армированием.

Единственный минус материала – это его высокая стоимость. Однако если учесть, что конструкции из него получаются исключительно прочными, не требующими в течение многих лет ремонта и реконструкции, то этот минус компенсируется долговечностью эксплуатации.

Возможные сферы применения

К настоящему времени, разработчики уже нашли применение для этого уникального материала. В частности, они использовали его для реконструкции старых зданий исторической ценности в двух городах Германии. Без их помощи эти здания пришлось бы снести.

В будущем же планируется использовать углебетон в новом строительстве. Уже проведен эксперимент по возведению четырехметрового павильона из сложных элементов толщиной 4 сантиметра. Из железобетона такое здание построить невозможно, да и нужной прочностью оно отличаться не будет.

Двадцать первый век пестрит инновациями, и строительная сфера тому не исключение.

Один из новейших и набирающих популярность материалов - углеродное (карбоновое) волокно - занял достойное место, частично вытеснив стеклохолст и подобные ему армирующие материалы.

Углеродная ткань: характеристики и особенности

Говоря строго, углеродное волокно не является изобретением нашего столетия. Его уже давно используют в авиа- и ракетостроении, обывателю же этот материал знаком в виде углепластиковых удочек и кевлара. Пройдя долгий этап освоения и совершенствования технологии, индустрия, наконец, стала готова обеспечивать углеродной тканью другие отрасли, в том числе и строительную.

Главная особенность углеродных нитей - высокий показатель удельной прочности на растяжение по отношению к собственному весу. Изделия, армированные углепластиком, сохраняют наивысшее из известных сопротивление на разрыв, при этом по материалоёмкости и общему весу они гораздо выгоднее распространённой на сегодняшний день стали.

В исходном виде углеволокно представляет собой тонкую микрофибру, которая может быть сплетена в нити, из которых, в свою очередь, может быть выткан холст любых размеров. За счёт правильной ориентации молекул, их прочной связи и достигается столь высокая прочность. В остальном волокна просто выполняют функцию армирования при любом типе конструктивного наполнителя, от эпоксидных смол до бетона.

Одна из наиболее выраженных особенностей углеволокна - его высокая сорбирующая способность. Выгода от применения карбона для укрепления элементов внутренней отделки состоит в том, что углерод не позволяет естественным примесям, красителям или растворителям проникать в воздушную среду жилых помещений. В то же время сорбционные процессы протекают абсолютно безвредно для самого волокна.

Преимущества использования

В общем и целом для строительства интересны два свойства углеволокна. Первое - структурное разностороннее укрепление - используется для придания материалу повышенной твёрдости и прочности на сжатие. Армирование структуры выполняется фиброй толщиной 5–10 мкм при различной длине волокон. Имеет смысл структурно укреплять отделочные поверхности и несущую конструкцию зданий.

Вторая цель карбоновых волокон в строительной отрасли - закладное армирование - выполняется дополнительно переработанной первичной фиброй, принимающей вид холста, ровинга, нитей, канатов и укреплённых полимерными смолами стержней. В этом случае карбоновое волокно не укрепляет сам заполнитель в целом, но служит надёжной нервущейся основой для него.

Но в чём выгода карбоновых волокон, и почему их следует предпочесть менее экзотичным материалам? Начнём с того, что по физико-химическим свойствам ближайший конкурент углеволокна - фибра стеклянная, которая достаточно широко распространена в виде стеклохолста для внутренних штукатурных работ. Однако стекло имеет гораздо более низкое сопротивление разрыву и больший вес, в то время как углеродный полимер не только прочен, но и гораздо лучше сцепляется с окружающим его твёрдым материалом за счёт высокой собственной адгезии.

Облицовка и структура, укреплённые таким образом, отличаются также увеличенной прочностью на сдвиг и скручивание, что для стали, стекла и других синтетических материалов всегда было существенной проблемой.

Однако не обходится без сложностей. В частности, при внутренней отделке зданий ставится вопрос о пожарной безопасности углеволокна. В присутствии кислорода оно выгорает уже при температурах около 350–400 °С, однако будучи «законсервированным» в безвоздушной среде, карбон сохраняет свои свойства даже при нагреве выше 1700 °C. Более высокую жаростойкость гарантирует фибра и её производные, покрытые разного рода карбидами - это надо учитывать при выборе материала для отделочных работ.

Применение в отделочных работах

Широкий ряд материалов декоративной отделки требует основания, абсолютно не подверженного образованию трещин. Сюда относится акриловая покраска, полимерные покрытия для пола, венецианская штукатурка и другие тонкие и хрупкие составы.

Если для фальшстен из ГКЛ эта проблема не стоит особенно остро, то иные материалы за счёт более выраженного линейного расширения требуют особого подхода. Для примера возьмём укрепление и изоляцию стыков однослойной обшивки, выполненной из ОСП. Практически любая шпаклёвка или клей раскрошится прямо внутри шва за год-два.

Такие стыки следует заполнять прочным полимерным клеем, а затем накрывать прилегающие края на 25–30 мм лентой из тонких карбоновых нитей и снова покрыть слоем наполнителя, тщательно разгладив заделку шпателем.

Подобная обработка в большинстве случаев не требует последующего выравнивания поверхности. Обшивка принимает монолитную прочность, а возникающие структурные перенапряжения полностью компенсируются свойствами ОСП.

Подобный принцип может применяться и при финишном выравнивании оштукатуренных стен акриловой шпаклёвкой. В этом случае углеткань - бесспорный лидер в вопросах придания ударопрочности и стойкости к трещинообразованию. Монтаж выполняется по аналогии со стеклохолстом:

  1. Сперва тонкая сплошная обмазка поверхности.
  2. Затем укладка полотна и его разглаживание.
  3. После чего можно сразу же приступать к финишному выравниванию.

Холст никак себя не проявляет на внешнем виде готовой поверхности ни до высыхания состава, ни после.

Использование углеродной фибры

Повышение прочности несущих элементов зданий, отлитых по месту или фабрично, возможно за счёт добавления углеволокна в жидкий состав наполнителя. Фибру из карбона уже сейчас можно приобрести в достаточно больших количествах, что позволит уменьшить толщину стен, колонн и прочих элементов бетонной конструкции, испытывающих вертикально-осевую нагрузку на сжатие. За счёт этого освобождается достаточно много пространства для структурной изоляции или утепления конструкций.

Особенно интересен этот материал будет для любителей свайно-ростверковых фундаментов, где работа карбоновой пряжи полностью наглядна. Столб, сохраняющий прочность на сжатие в 12–15 т с учётом всех рекомендуемых запасов надёжности, имеет толщину около 80 мм. Внутри него всего две нитки полимерной арматуры, а по двум другим сторонам уложены пряди углеродного ровинга.

Много ли требуется углеволокна для армирования бетона? Отнюдь, всего 0,05–0,12 % от массы готового ЖБИ. Концентрация может быть и выше, если речь идёт, например, о гидротехнических сооружениях или о бетонных фермах перекрытий.

Системы внешнего армирования

Структура, укреплённая карбоновым волокном, настолько прочна, что может применяться даже в качестве опоясывающего армирования для элементов сильно нагруженных конструкций. Начиная от высотного домостроения и заканчивая каркасными сборными конструкциями, внешний пояс армирования предоставляет небывалую устойчивость к эксплуатационным перегрузкам.

Суть в том, что сам сердечник элемента, содержащий закладную арматуру, отливается как обычно, но при минимальном защитном слое бетона по сторонам. После снятия опалубки изделие, будь то колонна или армирующий пояс, обматывается слоем углеродного полотна или толстой нитью, а затем заливается пескобетоном с содержанием фибры. Такой подход избавляет от нужды использовать тяжёлый гранитный бетон при полном наследовании его прочностных характеристик. Более того, даже минимальный слой укреплённого углеродом бетона существенно снижает корродирование закладной арматуры.

Частным случаем наружного армирования можно назвать оклеивание узлов соединений лоскутами или лентой из углеволокна, углеродной тканью с сопутствующей пропиткой эпоксидными смолами. Такое соединение демонстрирует втрое более высокую прочность, чем обычное, что неоценимо для стропильных систем и в особенности крепления ферм к мауэрлату.

Углеродные волокна — это органические материалы, подвергшиеся термическому воздействию при температурах 1000-3000°C и содержащие 92-99,99 % углерода.

Впервые получение и применение углеродных волокон было предложено и запатентовано известным американским изобретателей Томасом Алва Эдисоном в 1880 г. в качестве нитей накаливания в электрических лампах.

Однако в полной мере интерес к углеродным волокнам проявился лишь в конце 1950-х годов.

Они оказались наиболее подходящим армирующим материалам композитов для изготовления ракетных двигателей поскольку обладают высокой термостойкостью, хорошими теплоизоляционными свойствами, коррозионной стойкостью к воздействию газовых и жидких сред, высокими удельными прочностью, сопротивлением усталости и жесткостью.

Свойства углеродных волокон

По сравнению с обычными конструкционными материалами, например, алюминием или сталью, композиты с углеродными волокнами обладают некоторыми весьма полезными свойствами:

Они имеют исключительно высокую термостойкость
— в инертных средах или в вакууме до 3000°С
(температура плавления стали 1500°С )
— на воздухе до 450°С

Удельное электрическое сопротивление можно задать:
— от 0,02 Ом*м*10 -6 (сопротивление меди )
— до 1,0 Ом*м*10 9 (сопротивление полупроводника )

Благодаря своим характеристикам:
— большой активной поверхности до 2500 м 2 /гр (2 гр. имеют площадь футбольного поля! )
— невероятной прочности (3,6 Гн/м 2 ) в 2 раза выше прочности стали (1,8 Гн/м 2 ) и при этом в 4 миллиона раз легче стали (плотность 1,9 г/м 3 ,а плотность стали 7,82 т/м 3 )
— и являющиеся прекрасными сорбентами (1 гр. поглощает до 50 гр. нефтепродуктов ) — углеродные волокона превосходят все известные жаростойкие волокнистые материалы!

Это предопределяет возможность применения углеродных волокон в качестве тепловых экранов и теплоизоляционного материала в высокотемпературной технике.

Применение углеродных волокон

Благодаря высокой химической стойкости углеродные волокона применяют для фильтрации агрессивных сред, очистки газов, изготовления защитных костюмов и др. и использовать их в качестве разнообразных по назначению электронагревательных элементов, для изготовления термопар и др.

Электропроводность углеродных волокон позволяет бороться и с доставляющим немало хлопот статическим электричеством (кстати, далеко не безвредным для здоровья человека): достаточно ввести в материал (ткань, бумагу) всего 0,02—1% углеродного волокна, чтобы электрические заряды полностью «стекали» с этого материала, как после обработки антистатиком.

Углеродные материалы имеют и медицинские области применения: живой организм их не отторгает. Поэтому если скрепить сломанную кость штифтом на основе углепластика, а поврежденное сухожилие заменить легкой и прочной углеродной лентой, то организм не воспримет этот материал как чужеродный.

А углеродные материалы, обладающие высокой адсорбционной активностью, с успехом применяют в виде повязок, тампонов и дренажей при лечении открытых ран и ожогов — в том числе и химических. для очистки крови и других биологических жидкостей, как лекарственное средство при отравлениях (благодаря их высокой способности сорбировать яды), как носители лекарственных и биологически активных веществ.

Углеродные волокна применяют для армирования композиционных, теплозащитных, химостойких в качестве наполнителей в различных видах углепластиков. Из модернезированных углеволокон изготовляют электроды, термопары, экраны, поглощающие электромагнитное излучение, изделия для электро- и радиотехники. На основе углеродных волокон получают жесткие и гибкие электронагреватели , обогреваемую одежду и обувь. Нетканые углеродные материалы служат высокотемпературной изоляцией технологических установок и трубопроводов. 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.

В настоящее время углеродные волокна используют для термозащиты космических кораблей, самолетов, ракет, изготовления их носовых частей, деталей двигателей, теплопроводящих устройств, для энергетических установок и производства активированных углеродных волокон (например, в накопителях электроэнергии, аккумуляторах, батареях, устройствах-модулях по очистке газов, где требуются новые, в частности, токопроводящие углеродные волокна-сорбенты).



Углеродные волокона выпускаемые в настоящее время

На основе вискозных нитей и волокон изготавливают: Нити, ленты, ткани, а также дисперсный порошок из размолотых волокон — Урал ®, УВК ®, Вискум ®
Нетканый материал: Карбопон ®
Активированные сорбирующие ткани: Бусофит ®
Активированные сорбирующие нетканые материалы: Карбопонактив ®
На основе вискозных штапельных волокон: Волокна и нетканые материалы: карбонизованые — Углен ® 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® (для медицинских целей)
На основе ПАН-волокон: Волокна и нетканые материалы: карбонизованные — Эвлон ® и графитированные — Конкор ®

Выпускают углеродные волокона и за рубежом:

  • — в США: Торнел ®, Целион ®, Фортафил ®
  • — в Великобритании: Модмор ®, Графил ®
  • — в Японии: Торейка ®, Куреха-лон ®

С помощью углеродного волокна можно создавать уникальные вещи. Так почему же автопроизводители не используют этот материал в производстве? Мы посетили завод Lamborghini, чтобы это выяснить.

Углеродные волокна отличаются от стали тем, что они намного прочнее и обладают меньшим весом. Тот, кто их изобрел — несомненно, гений. Примечательно, что один из пилотов , Джонсон, участвовал в 80-х годах в гонках на автомобиле, изготовленном из углерода. Несмотря на неплохие результаты, которые он тогда продемонстрировал, с тех пор этот материал не получил широкого распространения. Основная причина - его дороговизна. На сегодняшний день самым доступным автомобилем, который изготовлен из углерода, является Alfa Romeo 4S. Впрочем, он стоит столько же, сколько и . А вот стоимость таких «углеродных» машин, как Maclaren и Lamborghini Aventadors, достигает шестизначных чисел в долларовом выражении. К сожалению, их производителям так и не удалось сделать углерод настолько же доступным, как и алюминий. Но почему?

Именно поэтому мы отправились в Италию, где инженеры Lamborghini, облаченные в черные халаты, «колдуют» над углеродом. По какой причине они до сих пор не смогли сделать этот материал доступным?


Углерод против стали

Сейчас для создания деталей используются жидкий , сталь, магний. Сначала их разогревают до необходимой температуры, а затем заливают в специальные формы. При этом данные материалы позволяют создавать не только отдельные детали, но и объединять их воедино. Вот только проделать то же самое с углеродом не получится. Чтобы с ним можно было работать, его требуется поместить в морозильник. То есть, в отличие от той же стали, он не переносит высокой плюсовой температуры.

Специальные рулоны из углеродного волокна, заполненные смолой и обработанные специальным клеем, помещаются в холодильники, где хранятся при нулевой температуре. Достаточно лишь увеличить температурный режим на пару градусов, и смола тут же затвердеет. К слову, разрезать углеродные заготовки с помощью лазера не получится. Для этих целей необходимо использовать лезвие. Углеродные волокна, которые поместили в холодильник, остаются податливыми лишь в течение суток. По прошествии 24 ч. они уже не поддаются обработке.

Так что инженерам из Lamborghini необходимо поторопиться. Но прежде они должны разогреть заготовки, чтобы смола затвердела. Женщина по имени Пиера нагревает материал феном. Делает она это предельно аккуратно, так как понимает, что слишком высокая температура может сделать углерод менее податливым.


Инновационные технологии и ручная работа



Стоит уточнить, что мы посетили завод Lamborghini не впервые — 10 лет назад нам уже доводилось здесь бывать. Так же, как и сейчас, мы тогда наблюдали за работой женщины. Вот только она обрабатывала не углеродные заготовки — женщина вручную сшивала обшивку сидений Murselago. В тот момент показалось, что это неэффективно — о каком массовом производстве автомобилей можно говорить, если всю работу выполняют не роботы, а люди? И вот теперь я снова наблюдаю подобную картину. Итальянка, как и 10 лет назад, все делает своими руками. Конечно, ручная обработка углерода занимает много времени, но на сегодняшний день это самый экономичный способ изготовить необходимую деталь.

Лучано Де Ото, руководитель композиционного исследовательского Центра компании «Lamborghini» уверяет, что ручная обработка углерода - наиболее эффективный метод изготовления той или иной детали. По крайней мере, данное утверждение касается небольшого объема работ. Если же, например, необходимо изготовить 2 тыс. деталей, то без автоматизации процесса не обойтись. Но в таком случае углеродные детали получатся недостаточно качественными.

Для того, чтобы придать углеродным волокнам необходимую структуру, требуется запечатать углеродный лист в пластиковую форму и выкачать оттуда весь воздух. Как только последний будет полностью удален из формы, нужно создать дополнительный вакуум. Эта процедура повторяется до тех пор, пока каждый слой углерода не лишится воздуха. Безусловно, это весьма утомительно. Например, компания BMW имеет соответствующие роботизированные производственные линии, которые значительно упрощают этот процесс. Тем не менее, он все равно остается долгим и трудоемким.

Изготовление углеродных деталей требует не только больших временных затрат, но и энергетических. Ведь для того, чтобы сделать этот материал податливым, необходимо раскалить печь до 400 градусов. При этом она должна работать в таком режиме на протяжении 6 часов. Представляете, какие затраты на электроэнергию? Впрочем, компания Lamborghini удешевила этот процесс. На крыше завода установлены фотоэлектрические солнечные батареи на 1,2 МВт. Конечно, это капля в море, но все же экономия ощутима.


Массовое производство



Пока инженеры работают с углеродом, мы направились в цех, где другие рабочие Lamborghini изготавливают кованые детали. В отличие от первых, последние используют грубые углеродные волокна, которые еще называют рубленными. Из них автоматизированные машины формируют квадратные листы, которые прессуют в специальные формы и нагревают до температуры в 300 градусов. Такой метод обработки углерода позволяет изготовить необходимую деталь в течение 20 мин.

Полученные подобным способом углеродные детали не отличаются высоким качеством. Лучано Де Ото говорит, что ручная обработка углеродных волокон никогда не позволит создать доступные детали, стоимость которых будет сопоставима с алюминиевыми. Что же касается автоматизированной производственной линии, то он уверен, что через 10 лет технологии позволят усовершенствовать ее до такой степени, что изготовленные на ней углеродные детали не будут уступать по качеству тем, которые создаются вручную. В настоящий момент рубленными углеродными элементами, полученными механическим способом, оснащена .

Нет никаких сомнений, что Lamborghini не откажется от ручной обработки углерода и в будущем, так как всегда найдутся автолюбители, которые захотят приобрести эксклюзивный автомобиль. Правда, им придется набраться немного терпения — на изготовление такой машины уходит примерно 3 недели.


Интересные факты



1. Томас Эдисон сделал углеродные волокна из бамбука и хлопка, используя их в качестве нити накала в лампочках.
2. При помощи углеродных волокон компания «Boeing» осуществляет ремонт своих самолетов.
3. Примерно 70% углеродного волокна производится в Японии.

Каспер Стенберген, глава отдела по ремонту композитных материалов на Lamborghini, не доволен тем, что сейчас таможни многих стран не желают возиться с углеродными волокнами. То есть, владельцы машин, изготовленных из композита, в случае повреждения обшивки авто не могут рассчитывать на быстрый ремонт, не везти же им свои Lamborghini в Италию.