Углепластики


Углепластики
Кусок углепластика

Углепластики (или карбон, карбонопластики, от «carbon», «carbone» — углерод) — полимерные композиционные материалы из переплетённых нитей углеродного волокна, расположенных в матрице из полимерных (например, эпоксидных) смол. Плотность — от 1450 кг/м³.

Материалы отличаются высокой прочностью, жёсткостью и малой массой, часто прочнее стали, но гораздо легче (по удельным характеристикам превосходит высокопрочную сталь, например 25ХГСА).

Вследствие дороговизны (при экономии средств и отсутствии необходимости получения максимальных характеристик) этот материал обычно применяют в качестве усиливающих дополнений в основном материале конструкции.

Содержание

Основные сведения

Основная составляющая часть углепластика — это нити углерода. Такие нити очень тонкие (примерно 0,005-0,010 мм в диаметре[1]), сломать их очень просто, а вот порвать достаточно трудно. Из этих нитей сплетаются ткани. Они могут иметь разный рисунок плетения (ёлочка, рогожа и др.).

Для придания ещё большей прочности ткани из нитей углерода кладут слоями, каждый раз меняя угол направления плетения. Слои скрепляются с помощью эпоксидных смол.

Нити углерода обычно получают термической обработкой химических или природных органических волокон, при которой в материале волокна остаются главным образом атомы углерода. Термическая обработка состоит из нескольких этапов:

  1. 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.
  2. 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.
  3. 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 нитей углерода могут быть использованы специальные волокна из фенольных смол, лигнина, каменноугольных и нефтяных пеков. Кроме того, детали из карбона превосходят по прочности детали из стекловолокна, но, при этом, обходятся значительно дороже аналогичных деталей из стекловолокна.

Дороговизна карбона вызвана, прежде всего, более сложной технологией производства и большей стоимостью производных материалов. Например, для проклейки слоев используются более дорогие и качественные смолы, чем при работе со стеклотканью, а для производства деталей требуется более дорогое оборудование (к примеру, такое как автоклав).

Недостатком карбона является боязнь «точечных» ударов. Например, капот из карбона может превратиться в решето после частого попадания мелких камней. В отличие от металлических деталей или деталей из стеклоткани, восстановить первоначальный вид карбоновых деталей невозможно. Поэтому, после даже незначительного повреждения всю деталь придется менять целиком. Кроме того, детали из карбона подвержены выцветанию под воздействием солнечных лучей.

Наконец, когда приходит время для замены детали, существует целый ряд относительно простых шагов, которые могут быть предприняты для утилизации пластмассы, стали и алюминия. Углепластик же не так лёгок и дешёв в переработке и поэтому его вторичное использование под большим вопросом.[1]

Производство

  • Прессование. Углеткань выстилается в форму, предварительно смазанную антиадгезивом (например, мыло, воск, воск в бензине, Циатим-221, кремнийорганические смазки). Пропитывается смолой. Излишки смолы удаляются в вакууме(вакуум-формование) или под давлением. Смола полимеризуется, иногда при нагревании. После полимеризации смолы изделие готово.
  • Контактное формование. На примере изготовления бампера: берется металлический исходный бампер («болван»), смазывается разделительным слоем. Затем на него напыляется монтажная пена (гипс, алебастр). После отвердевания снимается. Это матрица. Затем её смазывают разделительным слоем и выкладывают ткань. Ткань может быть предварительно пропитанной, а может пропитываться кистью или поливом непосредственно в матрице. Затем ткань прокатывается валиками — для уплотнения и удаления пузырьков воздуха. Затем полимеризация (если отвердитель горячего отверждения, то в печи, если нет, то при комнатной температуре — 20 °C). Затем бампер снимается, если надо — шлифуется и красится.

Трубы и иные цилиндрические изделия производят намоткой. Форма волокна: нить, лента, ткань. Смола: эпоксидная или полиэфирная. Возможно изготовление форм из углепластика в домашних условиях, при наличии опыта и оборудования.

Применение

Углепластики широко используются при изготовлении лёгких, но прочных деталей, заменяя собой металлы, во многих изделиях от частей космических кораблей до удочек, среди которых:

Углеродные нанотрубки усиленного полимера (CNRP)

Углеродные нанотрубки в несколько раз прочнее, чем углепластик, и присутствует в Lockheed Martin F-35 Lightning II .

Примечания

  1. 1 2 Углепластик в автомобилестроении - плюсы и минусы. AutoRelease.ru. Архивировано из первоисточника 23 августа 2011.

Литература

  • Справочник Дж. Любина «Композиционные материалы», М., 1988

Wikimedia Foundation. 2010.

Смотреть что такое "Углепластики" в других словарях:

  • Углепластики — (карбопласты) – состоят из углеродных волокон и синтетического полимера. Это высокопрочные, жесткие, термически и химически стойкие материалы. Применяют при строительстве защитных экранов от электромагнитного излучения. [Щукина Е. Г.… …   Энциклопедия терминов, определений и пояснений строительных материалов

  • УГЛЕПЛАСТИКИ — (углепласты, углеродопласты), композиционные, гл. обр. полимерные, материалы, армированные наполнителями из углеродных волокон. Связующее (матрица) в У. преим. термореактивные синтетич. смолы (эпоксидные, фенольные, полиэфирные, полиимидные и… …   Химическая энциклопедия

  • углепластики — Термин углепластики Термин на английском carbon fibre reinforced plastics Синонимы Аббревиатуры CFRP Связанные термины композиционные материалы, полимерные, углеродные наноматериалы Определение композитные материалы, состоящие из углеволокон и… …   Энциклопедический словарь нанотехнологий

  • УГЛЕПЛАСТИКИ — карбопласты, углеродопласты, пластмассы, содержащие в качестве упрочняющего наполнителя углеродные волокна в виде жгутов, ровницы, лент, тканей и др. Связующее в У. эпоксидные, феноло формальдегидные, полиэфирные смолы, кремнийорганич. полимеры,… …   Большой энциклопедический политехнический словарь

  • Углеродопласты (карбопласты, углепластики) — [carbon filled plastics] пластмассы, содержащие в качестве наполнителя углеродные волокна (в виде непрерывного жгута, ленты, мата или короткого рубленного волокна). Связями для углеродопластов служат синтетические полимеры, например, эпоксидные,… …   Энциклопедический словарь по металлургии

  • УГЛЕПЛАСТИК — конструкционный композитный материал на основе углеродных волокон и синтетической смолы. В зависимости от типа армирующих волокон различают высокомодульные и высокопрочные углепластики. Используются в малом судостроении для обшивки и набора… …   Морской энциклопедический справочник

  • планёр — 1) безмоторный летательный аппарат тяжелее воздуха с крылом для создания аэродинамической подъёмной силы. Помимо крыла, как и самолёт, имеет фюзеляж, шасси и хвостовое оперение. В свободном полёте движется со снижением (планирует) по наклонной… …   Энциклопедия техники

  • КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ — (композиты) (от лат. compositio составление), многокомпонентные материалы, состоящие из полимерной, металлич., углеродной, керамич. или др. основы (матрицы), армированной наполнителями из волокон, нитевидных кристаллов, тонкодиспeрсных частиц и… …   Химическая энциклопедия

  • армированные пластики — пластмассы (например, стеклопластики, асбопластики, текстолиты, углепластики), содержащие в качестве упрочняющего наполнителя волокнистые материалы  мононити, жгуты, ткани, бумагу, древесный шпон. * * * АРМИРОВАННЫЕ ПЛАСТИКИ АРМИРОВАННЫЕ ПЛАСТИКИ …   Энциклопедический словарь

  • углеродопласты — (карбопласты, углепластики), пластмассы, содержащие в качестве упрочняющего наполнителя углеродные волокна (в виде жгутов, матов, рубленых волокон). Прочные, жёсткие, термически и химически устойчивые электро и теплопроводные материалы с… …   Энциклопедический словарь