Статията предоставя информация за въглеродните влакна, техните характеристики, свойства и характеристики. Ще ви разкажем за историята на създаването му, както и гласови образователни факти. Ще научите как да използвате въглеродни влакна в ежедневието и строителството, както и как сами да ремонтирате пластмаса.
Продуктите, изработени от тъкани, влакна, въжета и ленти, изработени от съвременни въглеводороди, успешно се конкурират по всички показатели с обичайните ни продукти от стомана и бетон. В същото време те имат десетки, а понякога и стотици пъти по-малка дебелина и тегло. Как да обясним на човек с утвърдени възгледи факта, че импрегнирано с втвърдена смола платно с дебелина само 3 мм е по-здраво във всички отношения от 15 мм технически шперплат? Само чрез опит и демонстрация.
Въглеродните влакна са материал от бъдещето, от миналото
Материалът е открит от Томас Едисон през 1880 г. като част от неговите изследвания върху нишките на лампите с нажежаема жичка. През последните 10 години, по инициатива на чуждестранни колеги под формата на доставки на скъпи продукти от въглеродни влакна, местните разработчици и производители започнаха да реанимират въглеводородни проекти, започнати през съветския период във всички области.
Всеки знае, че въглеродът е необходим във всяка форма, във всяка индустрия. Това е производството на буквално всичко, което не е от метал, стъкло, дърво или бетон. Но основното му предимство е, че може не само да допълни традиционните материали, но и да ги замени с ползи за хората и природата.
Видео репортаж за руското производство на въглеродни влакна
Въглеродни влакна в строителството
Този модерен материал започва да се търси сред майсторите и строителите. Причините за това се крият в свойствата на неговите компоненти:
- Висока здравина на нишките, от които е изработен платът.
- Изключителна адхезия на полимерно свързващо вещество (епоксидно лепило).
Комбинацията от тези свойства дава висока ефективност при монтаж на външна армировка на стоманобетонни, тухлени и дървени конструкции. Подсилен по този начин елемент получава допълнителни 65% якост на огъване и до 120% якост на натиск. Това звучи малко вероятно, но тестовете, проведени в съответствие с GOST, TU и SNiP, потвърждават това.
Тестване на греди, подсилени с въглеродни влакна, на видео
Армирани с въглеродни влакна стоманобетонни елементи - видео тестове
Всеки, който ще строи каменна къща или басейн, ще прави основен ремонт или реставрация, трябва да помисли за карбонова армировка. Значително увеличение на якостта позволява да се намали обемът на основния материал. Това означава, че платното може да издържи на огромни натоварвания;
По този начин композитната армировка почти удвоява якостта на натиск от 280 kN на 520 kN (вижте тестовото видео). Това означава, че обемът на носещия елемент е носеща стена, колони, стълбове - могат безопасно да бъдат намалени с 60-80%. Това е от особено значение за отдалечени райони, където доставката на тежки строителни материали е трудна.
Втората основна област на приложение на въглеродните влакна в строителството е възстановяването на носещи каменни елементи. Подпорите и гредите на бетонните мостове се възстановяват с помощта на лепилна армировка. Това са най-критичните държавни съоръжения и тяхната надеждност се доверява на въглеродните влакна. В частното строителство натоварванията са десетки пъти по-ниски, което означава, че укрепването на основата или ъглите на стената ще има огромна граница на безопасност. Това е отлична алтернатива на традиционните методи - изливане на бетон в основата или инсталиране на подобни стени.
Друг полезно свойствокомпозитен материал - неговата нетоксичност и безвредност след полимеризация. В завършен вид има лъскава повърхност и не реагира с вода. Това ще бъде интересно за всеки, който е решил да построи басейн, езерце, кесон, силоз, септична яма или каменна септична яма. За да направите това, ще бъде достатъчно да изградите стени от половин тухла със зидана мрежа и да покриете двете страни с въглеродни влакна. Втвърденият материал ще служи като хидроизолация. Монтажът му е подобен на монтажа на армировъчна мрежа за изолация.
Цената на такава работа ще бъде:
- Платно от въглеродни влакна - от 20 до 30 USD. д. на 1 m 2.
- Полимерно свързващо вещество с втвърдител - от 3 до 5 куб. т.е. според потреблението на 1 m 2.
- Средно услугите до ключ за укрепване на каменни конструкции в Русия струват 125 USD. д. на 1 m 2. Цената включва калкулация, доставка, материали и труд.
Използването на въглеродни влакна за ремонт
Свойствата на платното, което първоначално е гъвкаво и еластично, а след импрегниране със смола е изключително издръжливо, може (и трябва!) да се използва в ежедневието. Това се отнася главно за ремонт или подмяна на счупени пластмасови части. С този материал можете да залепите почти всичко, а това, което не може да бъде залепено по някаква причина, може да бъде пресъздадено с помощта на повредената част като матрица.
Ремонт на прът от фибростъкло
Обмислете възможността за ремонт на дръжка на чук или брадва с помощта на втулка от въглеродни влакна. Повечето полупрофесионални ударни инструментиТе имат дръжки, изработени от фибростъкло, същият материал, използван за производството на висококачествени стикове за хокей.
За ремонт ще ви трябва:
- Инструменти - менгеме, ротошлайф с шкурка, направляваща скоба, сешоар, четки.
- Материал: ръкав от въглеродни влакна или платно, високоякостно двукомпонентно лепило, полимерна смола и втвърдител. Общо лепилната смес ще изисква около 50 ml.
- Защитни средства - очила, респиратор, гумени ръкавици.
Оперативна процедура:
- Почистете ръбовете на счупването с мелница, като поддържате контактната зона.
- Затегнете едната част в менгеме и поставете втората върху скоба, като я изпробвате на плоскост.
- Нанесете лепило върху контактните повърхности (счупването) и свържете двете части със скоба. Нанесете лепило върху счупената зона. Внимателно проверете подравняването на двете части. Време на експозиция - 6-8 часа (според инструкциите).
- Отстранете скобата и почистете съединението, като го задълбочите в тялото на пръта с 1-2 mm.
- Направете маркировки. Тъй като залепването с ръкав ще се извърши на два етапа, горният слой ще се припокрива с долния. От оста на връзката отделете 3,5 см за първия слой, 6 см във всяка посока за втория. Изрежете две части от ръкава по размер.
- Направете полимерен разтвор от смола и втвърдител в пропорции според инструкциите и го нанесете обилно върху фугата по по-малките маркировки.
- Донесете парче ръкав на мястото на залепване и внимателно го поставете върху лепилото и го увийте с ръце.
- След това нанесете друг слой лепило и поставете втора (по-голяма) част от ръкава. Натиснете го по същия начин. Наситете цялата област с лепило.
- За да създадете временна скоба - нанесете ленти от еластичен материал от двете страни, увийте с лента и стиснете със скоби (не много плътно). Време на експозиция - 6-8 часа.
- 1 Почистете фугата с мелница и я завършете на ръка.
- Продуктът е технически готов и може да се използва при нормално натоварване след 12 часа. Ремонтираният продукт може да бъде боядисан.
Ремонт на дръжка от фибростъкло на видео
Технологията за ремонт се предлага от SRS (което означава, че говорим за професионални спортове - не е трудно да си представим какви натоварвания може да издържи продуктът след ремонт).
Използвайки въглеродни влакна по този начин, можете също да ремонтирате неща, които преди това са били обичайни за смяна:
- Крака за мебели.
- Дръжки на прахосмукачка, чадър или нож.
- Корпуси за домакинска и офис техника и инструменти.
- Рамки за очила (ще ви трябва въглеродна нишка или лента).
- Всякакви неметални части от автомобил, мотоциклет, велосипед - от бронята до дръжката на вратата.
- Пластмасов прозорецили перваза на прозореца и много повече.
Разбира се, цялата гама от предимства и възможности на съвременния многофункционален материал не може да бъде показана в една статия. Достатъчно е домашният майстор да знае едно нещо за това - за тези, които имат в арсенала си платнена и въглеродна лента и епоксидни компоненти, проблемът със счупената пластмаса не съществува.
Напредналите индустрии и строителството наскоро усвоиха много фундаментално нови технологии, повечето от които са свързани с иновативни материали. Един обикновен потребител може да забележи проявата на този процес в примера на строителни материали с включване на композити. Също така в автомобилната индустрия се въвеждат въглеродни елементи за подобряване на производителността на спортните автомобили. И това не са всички области, в които се използват пластмаси, подсилени с въглеродни влакна. Основата за този компонент са въглеродни влакна, чиято снимка е представена по-долу. Всъщност уникалността и активното разпространение на композитите от ново поколение се крият в техните ненадминати технически и физически качества.
Технология на получаване
За производството на материала се използват суровини от естествен или органичен произход. Освен това, в резултат на специална обработка, само въглеродни атоми остават от оригиналния детайл. Основната въздействаща сила е температурата. Технологичният процес включва извършване на няколко етапа на топлинна обработка. На първия етап се извършва окисление на първичната структура при температурни условия до 250 ° C. На следващия етап производството на въглеродни влакна преминава към процедурата на карбонизация, в резултат на която материалът се нагрява в азотна среда при високи температури до 1500 °C. По този начин се образува структура, подобна на графит. Целият производствен процес завършва с крайна обработка под формата на графитизация при 3000 °C. На този етап съдържанието чист въглеродвъв влакна достига 99%.
Къде се използват въглеродни влакна?
Ако в първите години на популяризиране материалът се използва изключително във високоспециализирани области, днес има разширяване на производството, в което се използва това химическо влакно. Материалът е доста пластичен и разнороден по отношение на експлоатационните възможности. С голяма вероятност областите на приложение на такива влакна ще се разширят, но основните видове представяне на материала на пазара вече са се оформили. По-специално можем да отбележим строителната индустрия, медицината, производството на електрическо оборудване, домакински уреди и др. Що се отнася до специализираните области, използването на въглеродни влакна все още е от значение за производителите на самолети, медицински електроди и
Форми за производство
На първо място, това са топлоустойчиви текстилни продукти, сред които можем да подчертаем тъкани, конци, трикотаж, филц и др. По-технологично направление е производството на композити. Може би това е най-широкият сегмент, в който въглеродните влакна са представени като основа за продукти за масово производство. По-специално, това са лагери, топлоустойчиви компоненти, части и различни елементи, които работят в агресивна среда. Композитите са насочени главно към автомобилния пазар, но строителната индустрия също е доста склонна да разгледа нови предложения от производителите на това химическо влакно.
Свойства на материала
Спецификата на технологията за получаване на материала остави своя отпечатък върху експлоатационните качества на влакната. В резултат на това високата термична устойчивост се превърна в основна отличителна черта на структурата на такива продукти. В допълнение към термичните ефекти, материалът е устойчив и на химически агресивни среди. Вярно е, че ако по време на процеса на окисляване при нагряване присъства кислород, това има пагубен ефект върху влакната. Но механичната здравина на въглеродните влакна може да се конкурира с много традиционни материали, които се считат за здрави и устойчиви на повреди. Това качество е особено силно изразено при карбоновите продукти. Друго свойство, което се търси сред технолозите на различни продукти, е абсорбционната способност. Благодарение на активната си повърхност, това влакно може да се счита за ефективна каталитична система.
Производители
Лидерите в сегмента са американски, японски и немски компании. Руските технологии в тази област практически не се развиват през последните години и все още се основават на разработки от времето на СССР. Днес половината от влакната, произведени в света, се произвеждат от японските компании Mitsubishi, Kureha, Teijin и др. Другата част се поделя от германци и американци. Така от страна на САЩ действа Cytec, а в Германия въглеродните влакна се произвеждат от SGL. Неотдавна тайванската компания Formosa Plastics влезе в списъка на лидерите в тази област. Що се отнася до местното производство, само две компании се занимават с разработването на композити - Argon и Khimvolokno. В същото време, през последните години бяха постигнати значителни постижения от беларуски и украински предприемачи, които проучват нови ниши за търговска употреба на пластмаси, подсилени с въглеродни влакна.
Бъдещето на въглеродните влакна
Тъй като някои видове пластмаси, подсилени с въглеродни влакна, в близко бъдеще ще направят възможно производството на продукти, които могат да запазят оригиналната си структура в продължение на милиони години, много експерти прогнозират свръхпроизводство на такива продукти. Въпреки това, заинтересованите компании продължават да се надпреварват за технологични подобрения. И в много отношения това е оправдано, тъй като свойствата на въглеродните влакна са с порядък по-добри от тези на традиционните материали. Само помнете силата и устойчивостта на топлина. Въз основа на тези предимства разработчиците проучват нови области на развитие. Въвеждането на материала най-вероятно ще обхване не само специализирани области, но и области, близки до масовия потребител. Например, конвенционалните пластмасови, алуминиеви и дървени елементи могат да бъдат заменени с въглеродни влакна, които по много начини, изпълнителски качестваще бъде по-добър от конвенционалните материали.
Заключение
Много фактори възпрепятстват широкото използване на иновативни химически влакна. Един от най-важните е високата цена. Тъй като въглеродните влакна изискват използването на високотехнологично оборудване за производство, не всяка компания може да си позволи да ги произвежда. Но това не е най-важното. Факт е, че не във всички области производителите се интересуват от такива радикални промени в качеството на продукта. По този начин, докато увеличава издръжливостта на един инфраструктурен елемент, производителят не винаги може да извърши подобно надграждане на съседни компоненти. Резултатът е дисбаланс, който анулира всички постижения на новите технологии.
Но ако има удар, тогава въглеродът е крехък, якостта на удар е само 35-40 J/g, дори по-висока за фибростъклото... А кевларът има 78
Вярно, сега има разработки на пластмаси, подсилени с въглеродни влакна, подсилени с нанотръби, те са най-устойчиви на удар, с вискозитет до 870 J/g (!!) Освен ако, разбира се, разработчиците не лъжат.
Полимерни композитни материали, направени от преплетени нишки от въглеродни влакна, разположени в матрица от полимерни (например епоксидни) смоли. Плътност - от 1450 kg/m³ до 2000 kg/m³.
Материалите се отличават с висока якост, твърдост и ниско тегло, често по-здрави от стоманата, но много по-леки (по отношение на специфични характеристики надминава стомана с висока якост, например 25KhGSA).
Поради високата си цена (като същевременно спестява пари и не изисква максимална производителност), този материал обикновено се използва като подсилващи добавки към основния строителен материал.
ЗА ВЪГЛЕРОДА
Никакви материали не могат да се сравнят, когато става въпрос за елементи, направени от въглерод. Въглеродните слоеве могат да бъдат сглобени по два начина: мокър (най-често срещаният) и сух (по-сложен процес).
Сух въглерод.
Това е най-доброто от най-доброто, знак за което е високата му цена. Сухият карбон е много лек и изключително здрав. Очаквайте да платите около $3-4 хиляди за качулка, изработена от този материал.
Мокър въглерод.
Материалът е достатъчно добър, но не е най-добрият. Той е по-тежък от Dry Carbon и не е толкова издръжлив. Цената на качулка, изработена от този материал, започва от 1500 долара.
Разликата им е, че когато прокарате ръката си върху сух, усещате оребрената му структура (ако не е лакиран), докато мокрият карбон е напълно гладък на пипане.
Черни влакна, състоящи се от много нишки с дебелина от 0,005 до 0,010 мм, вплетени в тъкани, от които могат да се изработват различни форми, с много високи якостни технически характеристики. Самите тъкани не се използват, а се използват като суровини, импрегнирани с епоксидна смола, след което се втвърдяват, за да образуват много издръжлив и лек материал. Якостта на някои пластмаси, подсилени с въглеродни влакна, е по-висока от високоякостната стомана клас 25KhGSA, но е значително по-малка като тегло. специфично теглоготови въглеродни влакна 1,5 - 2 килограма на квадратен дециметър - за стомана 8 кг на квадратен дециметър. Масовата разлика е 4 - 6 пъти.
Силата на карбона зависи главно от качеството на използваната епоксидна смола. Най-добрите карбонови тъкани се продават вече импрегнирани със смола; остава да ги поставите във форма и да ги изпратите в автоклав за втвърдяване.
Изработка на матрица: За да направите проста матрица, трябва да имате готова проба на броня, капак или всяка друга част, изработена от всякакъв материал, или да използвате готова фабрична проба. За да се избегне силното свързване на пробата с бъдещата матрица, тя трябва да бъде покрита със слой сепаратор. Като сепаратор може да служи сапун, еделвос, восък, разтворен в бензин, Циатим-221 и органосилициеви смазки. Като основа за матрицата можете да използвате полиуретанова пяна, гипс и композитни материали. Ако матрицата е направена от композитни материали, тогава най-евтиният й източник е фибростъкло, импрегнирано с обикновена епоксидна смола. Ако матрицата има сложна форма, тогава тя трябва да бъде направена разглобяема на едно или няколко места. Местоположението на конекторите трябва да е фиксирано и да има точна позиция едно спрямо друго. Позиционирането на щифта, последвано от завинтване, е най-подходящо.
Всички монококове на най-модерните суперавтомобили и Формула 1 са направени от въглеродни влакна, с добавени към конструкцията структури от титан и пчелна пита за по-голяма здравина. Конструкцията от въглеродни влакна прави тези автомобили толкова скъпи. Не само, че самият материал не е евтин, но и цялото производство се извършва почти изцяло ръчно.
Цената на въглеродните влакна е много висока, както и частите, произведени с тях. Цената на въглеродната тъкан започва от 5000 рубли за 1 кг или 5 квадратни метра, с дебелина 0,25 мм. Някои американски изтребители и бомбардировачи също са направени от въглеродни влакна и цената на бомбардировача B2, например: е повече от 2 милиарда долара!!!
У дома най-вероятно няма да е възможно да направите същото здраво въглеродно влакно, както във фабриката, тъй като за висококачествено формоване на големи части ще ви е необходим голям вакуумен автоклав, който позволява формоване във вакуум и при даден понякога значителна температура, повече от 150 градуса.
Епоксидните смоли, които се втвърдяват при стайна температура, нямат наполовина по-малка якост от тези, полимеризирани с дадена температурна карта при условия на вакуумен автоклав.
Малък списък от компании, произвеждащи въглерод:
Торай
Nippon Graphite Fiber Corporation
ФОРМАКС
Porcher Industries
Seal SpA
SGL Group
Mapei
Золтек
Saertex
Балар
Корпорация Hexcel
Тайвански електрически изолатор
A&P технология
FTS SpA
Epotech
Zyvex Technologies
Isovolta AG
Приложение
Пластмасите, подсилени с въглеродни влакна, се използват широко в производството на леки, но здрави части, заместващи металите, в много продукти от части на космически кораби до въдици, включително:
· ракетно-космическа техника;
· авиотехника (самолетостроене, хеликоптерно производство (например главни ротори));
· корабостроене (кораби, спортно корабостроене);
· автомобилната индустрия (спортни автомобили (например брони, прагове, врати, капаци), мотоциклети, прототипи на MotoGP, автомобили от Формула 1 (кокпити и обтекатели), както и в интериорния дизайн;
· наука и изследвания;
· укрепване на стоманобетонни конструкции;
· спортно оборудване (ролери, велосипеди, футболни обувки, стикове за хокей, ски, ски щеки и обувки, тенис хилки, ножове за тенис на маса, ножове за кънки, стрели, оборудване за уиндсърф, моноплави), гребла;
· Медицинско оборудване;
· протезна конструкция
· риболовни принадлежности (въдици);
· професионални фото и видео стативи;
· домакински уреди (довършителни калъфи за телефони, лаптопи, дръжки на сгъваеми ножове и др.);
· моделиране;
· музикални инструменти (струнни);
· производство на индивидуални опори за стъпала (особено за спорт);
· инструменти за занаяти (игли за плетене);
· Въглеродът слабо абсорбира рентгеновите лъчи, така че прозорците на рентгенови и широкообхватни гама детектори (през които радиацията прониква в детектора) са направени от него.
Предимството на въглерода пред другите материали е свързано с неговите изключителни свойства. На първо място, това е леко тегло и в същото време невероятна здравина, висока стабилност и отлична устойчивост на умора. Комбинацията от всички тези предимства в един материал го прави уникален и незаменим в много индустрии.
За да разберете по-добре как един материал може да има толкова много прекрасни свойства, трябва да знаете какво е въглерод, от какво е направен и как се получава.
Въглерод, известен също като въглеродни влакна, известен също като графит - най-често този термин се отнася до продукт, направен от композитен материал, използващ въглеродни влакна.
Композитът включва комбинация от два или повече компонента с различни свойства. Например папиемаше (хартиени влакна и лепило), дърво (целулозни влакна и лигнин), подсилена пластмаса (полимер и армиращ материал), стоманобетон (метална рамка и бетон).
Сами по себе си компонентите на тези материали нямат никакви уникални якостни характеристики, но действайки в комбинация, те придават на материала нови свойства, където най-добрите аспекти на един материал допълват най-добрите аспекти на друг. Почти всички структури, всички тъкани на организми от растителния и животински свят могат да се считат за композити. Следователно можем спокойно да кажем, че всички най-модерни материали са композитни.
Тъкането на тъкани от своя страна може да има много видове. Често срещани са: обикновен - обикновен, обикновен, тъкане; кепър (кепър) – кепър, диагонално тъкане (рибена кост); сатен - гладка, лъскава лицева повърхност, върху която преобладават вътъчните нишки.
Говорейки за въглеродни влакна, няма как да не споменем следващото по важност предимство пред останалите материали – анизотропията. За разлика от металите, които са изотропни (т.е. свойствата са независими от посоката), въглеродните влакна имат изразена анизотропия, т.е. ясна зависимост от тях физически свойстваот посоката. Това уникално свойство може да се използва, за да се придадат на структурата необходимите характеристики. Използвайки ориентацията на влакната в даден продукт, когато създава, например, карбонова велосипедна рамка, инженерът може да увеличи устойчивостта на усукване, като същевременно я направи еластична и съвместима с надлъжни натоварвания. Това свойство ще позволи на рамката да абсорбира по-добре ударите.
Освен това, за разлика от металите, въглеродните влакна не са ограничени от свободата при избора на формата на продуктите. Ако в една метална конструкция сложността на формата е ограничена до завои и стави (които неизбежно намаляват якостта и са концентратори на натоварване), тогава въглеродният продукт може да бъде формован като единична единица, независимо от сложността на конструкцията. Това ви позволява да избегнете появата на слаби места - концентратори на натоварване, т.к натоварването се разпределя върху цялата площ.
Можете също така да отбележите отличните свойства на амортизация и триене на въглеродните влакна. Благодарение на последното, въглеродът се използва все повече в производството на хай-енд съединители и спирачки.
Комбинацията от горните качества прави този удивителен материал незаменим в много индустрии. Не е чудно, че гамата от продукти от въглеродни влакна нарасна експоненциално през последните десетилетия. Днес такива високотехнологични отрасли като астронавтиката, авиацията и професионалния спорт не могат да се представят без този уникален, незаменим, красив материал. Материалът на настоящето и бъдещето е въглеродните влакна.
Поради влакнестия характер на този материал, той има много по-изразена "зърнистост" от метала. Една добре проектирана карбонова рамка може да има структура, изградена по такъв начин, че да осигури максимална здравина в посоките на максимално напрежение.
недостатък
При производството на пластмаси, подсилени с въглеродни влакна, е необходимо стриктно да се спазват технологичните параметри, ако тези параметри са нарушени, якостните свойства на продуктите са рязко намалени. Необходими са сложни и скъпи мерки за контрол на качеството на продукта (включително ултразвукова дефектоскопия, рентгенови лъчи, вихрови токове, оптична холография и дори акустично изпитване).
Друг сериозен недостатък на пластмасите, подсилени с въглеродни влакна, е тяхната ниска устойчивост на ударни натоварвания. Увреждането на конструкциите при удар с чужди предмети (дори когато върху него падне инструмент) под формата на вътрешни пукнатини и разслоения може да бъде невидимо за окото, но да доведе до намаляване на якостта; разрушаване на структура, повредена от удари, може да настъпи дори при относителна деформация от 0,5%.
За съжаление, в приложенията за велосипеди въглеродните влакна не са напълно развита технология като металните рамки, направени от тръби. Велосипедите са подложени на много широк спектър от различни натоварвания от много различни посоки. Дори с компютърни симулации натоварванията не могат да бъдат напълно предвидени предварително. Въглеродните влакна имат голям потенциал, но сегашните въглеродни рамки не показват нивото на надеждност и издръжливост, което е желателно за използване при тежки условия на турне. По-конкретно, слаби места са областите, където метални части като краища на вилката, черупки на долната скоба, тръби на главата и т.н. се свързват с карбонова рамка. Тези зони могат да отслабнат от корозия с течение на времето и да доведат до повреда.
В геометрията няма нищо толкова здраво като триъгълник. Велосипедите с "диамантена" рамка са основно съставени от два триъгълника. Елегантността и простотата на това решение са неоспорими. Милиарди велосипеди с диамантена рамка са направени от тръби в продължение на повече от век и през това време стотици хиляди много умни хора са прекарали милиарди часове в каране и мислене за начини за фина настройка на велосипедите си. Тръбната рамка с форма на диамант е ясно „настроена“ чрез еволюционен процес до съвършенство, основните пропорции и използваните материали.
Карбонови влакна (фибростъкло с добавен въглерод)
Това е евтин материал. Получавате или домашно фибростъкло (смес от пулверизирано фибростъкло) като пълнител, или тънък слой въглеродна тъкан "за външен вид". Това е най-доброто, което може да се очаква от такъв материал, поради факта, че хората съжаляват да инвестират в качествени материали. Качулка от този тип може да бъде закупена за по-малко от $1000 (на търгове като ebay).
Карбон, титан или алуминий?
Нека се опитаме да разгледаме избора на рамка за велосипед от малко по-различен ъгъл от цената. Тоест, помислете за материала за неговото производство, въз основа на физическите и якостни характеристики на материалите.
За да направим това, нека се обърнем към някои термини и дефиниции на физиката на твърдото тяло, а именно теорията на еластичността.
Правилният избор на материал е сложна задача, чието недвусмислено решение ви позволява да оптимизирате технологията на производство и да увеличите издръжливостта на конструкцията като цяло. Понастоящем само три структурни материала се използват за производството на велосипедни рамки от висок клас: алуминий, титан и въглерод. Първите две са метални сплави, а последната е композитен материал на базата на въглеродни влакна и епоксидно свързващо вещество.
Основната механична характеристика на конструкционния материал е неговата якост на опън. Това е отношението на стойността на силата на опън непосредствено преди разкъсване към най-малка площнапречно сечение на пробата на мястото на счупване. За въглерод (базиран на въглеродни влакна T700) тази стойност е около 1500 MPa, за титаниева сплав (3 Al/2,5 V) около 800 MPa, за алуминий (6061) около 60 MPa. Марките, които най-често се използват в производството на велосипеди, са изброени в скоби.
Следващата важна характеристика е границата на провлачване, напрежението, при което започва да възниква пластична деформация, с други думи, при разтоварване, от което възниква остатъчна деформация с определена величина. За въглеродни влакна такива данни не са предоставени, за титан е около 300 MPa, за алуминий е около 20 MPa.
Е, в заключение, няколко думи за плътността. Колкото по-ниска е плътността, толкова по-лек е материалът. Плътността на въглерода е около 2 g/cm3, на титана 4,5 g/cm3, на алуминия 2,7 g/cm3.
От горното следва, че всеки материал има своите силни и слаби страни. Въпреки това, за спецификата на велосипеда е невъзможно да се отдели някое определящо свойство на материала. Например, с най-добрите характеристики на якост/тегло, карбонът е много крехък и е устойчив на удари и драскотини. Алуминият е лек, но пластичен и има ниски якостни свойства. Титанът е здрав и издръжлив, но относително тежък.
Истинската картина става по-ясна, ако разгледаме свойствата на всеки материал като цяло. Тогава титанът става безспорен лидер. Това е разбираемо.
Причината за разрушаването на рамката на велосипеда не е прекомерното натоварване, а натрупването по време на работа на продукта на малки вътрешни повреди (които обикновено се наричат пукнатини или дислокации), провокирани от периодичното въздействие на външни сили (състояние на напрежение). Определящата характеристика на метала да реагира по един или друг начин на напрегнато състояние е пластичността.
Пластичността на метала е функция на неговото състояние, в зависимост от външните и вътрешни фактори, което се изразява в способността твърди веществанеобратимо променя формата си, без да се разрушава под въздействието на приложените сили. С други думи, има определена максимална стойност на натоварване, при достигането на която междумолекулните връзки на металната кристална решетка се разкъсват, което води до образуване на вътрешни структурни дефекти, които не могат да изчезнат, а само да се натрупват. Анализът показа, че за повечето структурни метали най-типичната повреда е, че започва да се развива много преди да бъде достигнато такова максимално натоварване. Това се дължи на цикличните натоварвания. В този случай пластичната деформация и разрушаването се оказват толкова тясно свързани, че могат да се разглеждат като един процес с обща енергия на активиране.
Установено е, че разрушаването на материала от умора (при циклични натоварвания) се предшества от натрупването на локални микросрязвания и следователно появата на пластични деформации, чието изчерпване води до локално разрушаване.
Всичко това предполага, че пластичните метали са по-податливи на натрупване на нееластични деформации (умора) и следователно техният експлоатационен живот е значително по-малък.
Физическа характеристика на пластичността на метала е границата на провлачване (условна граница на провлачване). Тази стойност определя силата, при която се появява пластична деформация в материала. Колкото по-ниска е границата на провлачване, толкова по-пластмасов е материалът и следователно по-кратък е неговият ресурс. Границата на провлачане на алуминия е 15 пъти по-малка от тази на титана!
Друга причина за унищожение строителни материалиса външни дефекти (драскотини). Устойчивостта на надраскване на материала се определя от неговата твърдост. Твърдостта на Бринел на титана е 103 единици, а на алуминия е 25 единици, тоест за титана е 4 пъти по-висока!
Титанът, според тази характеристика, има още едно голямо предимство - запазва оригинала си външен види лесно го възстановява (с помощта на допълнителна механична обработка).
Обобщавайки всичко казано, се оказва, че когато се прилага върху рамката на велосипеда, титанът изглежда като почти идеален материал. Това може да се каже и за комбинацията от титан и въглеродни влакна (въглеродни влакна). Въпреки това, скъпи читателю, окончателният избор все още остава ваш.
Въглеродните влакна са композитен многослоен материал, който представлява мрежа от въглеродни влакна в обвивка от термореактивни полимерни (обикновено епоксидни) смоли, полимер, подсилен с въглеродни влакна.
Международно имеКарбонът е въглеродът, от който са направени въглеродните влакна.
Но в момента въглеродните влакна включват всичко, в което носещата основа е въглеродни влакна, но свързващото вещество може да бъде различно. Въглерод и въглеродни влакна са комбинирани в един термин, причинявайки объркване в съзнанието на потребителите. Тоест въглерод или въглеродни влакна са едно и също нещо.
Това е иновативен материал, чиято висока цена се дължи на трудоемкия технологичен процес и големия дял на ръчния труд. Тъй като производствените процеси се подобряват и автоматизират, цената на въглерода ще намалява. Например: цената на 1 кг стомана е по-малко от $1, 1 кг европейски въглеродни влакна струва около $20. Намаляването на разходите е възможно само чрез пълна автоматизация на процеса.
Приложение на карбон
Въглеродните влакна първоначално са разработени за спортни автомобили и космически технологии, но поради отличните си експлоатационни свойства, като ниско тегло и висока якост, те са широко разпространени в други индустрии:
- в самолетостроенето,
- за спортно оборудване: бухалки, каски, велосипеди.
- въдици,
- медицинско оборудване и др.
Гъвкавостта на въглеродната тъкан, възможността за нейното удобно рязане и рязане и последващото импрегниране с епоксидна смола ви позволяват да формовате въглеродни продукти с всякаква форма и размер, включително себе си. Получените заготовки могат да бъдат шлифовани, полирани, боядисани и флексопечатани.
Технически характеристики и свойства на въглерода
Популярността на пластмасата от въглеродни влакна се обяснява с нейните уникални експлоатационни характеристики, които се получават чрез комбиниране на материали с напълно различни свойства в един композит - въглеродни влакна като носеща основа и като свързващо вещество.
Подсилващият елемент, общ за всички видове въглеродни влакна, са въглеродни влакна с дебелина 0,005-0,010 mm, които работят добре при опън, но имат ниска якост на огъване, тоест те са анизотропни, здрави само в една посока, така че използването им е оправдано само под формата на платно.
Освен това може да се извърши подсилване с гума, която придава сив нюанс на въглеродните влакна.
Въглеродът или въглеродните влакна се характеризират с висока якост, устойчивост на износване, твърдост и ниско тегло в сравнение със стоманата. Плътността му е от 1450 kg/m³ до 2000 kg/m³. Техническите характеристики на въглеродните влакна могат да се видят в плътност, точка на топене и якостни характеристики.
Друг елемент, използван за армировка заедно с въглеродните нишки е . Това са същите жълти нишки, които могат да се видят в някои видове въглеродни влакна. Някои безскрупулни производители представят цветни стъклени влакна, боядисана вискоза и полиетиленови влакна като кевлар, чиято адхезия към смоли е много по-лоша от тази на въглеродните влакна, а якостта на опън е няколко пъти по-ниска.
Kevlar е американска марка за клас арамидни полимери, свързани с полиамиди и лавсан. Това име вече е станало общоприето за всички влакна от този клас. Армировката повишава устойчивостта на натоварвания на огъване, така че се използва широко в комбинация с въглеродни влакна.
Как се правят въглеродните влакна?
Получават се влакна, състоящи се от най-фини въглеродни нишки топлинна обработкана въздух, т.е. чрез окисляване на полимерни или органични нишки (полиакрилонитрил, фенол, лигнин, вискоза) при температура 250 ° C за 24 часа, т.е. чрез практически овъгляване. Ето как изглежда въглеродната нишка под микроскоп след овъгляване.
След окисляването настъпва карбонизация - нагряване на влакното в азот или аргон при температури от 800 до 1500 °C за изграждане на структури, подобни на графитните молекули.
След това се извършва графитизация (насищане с въглерод) в същата среда при температура 1300-3000 °C. Този процес може да се повтори няколко пъти, като графитното влакно се лиши от азот, увеличава се концентрацията на въглерод и се прави по-здраво. Колкото по-висока е температурата, толкова по-здраво е влакното. Тази обработка повишава концентрацията на въглерод във влакното до 99%.
Видове въглеродни влакна. Платно
Влакната могат да бъдат къси, нарязани, технитеНаречен„с телбод“ или може да има непрекъснати нишки върху калерчетата.
Това могат да бъдат кълчища, прежда, ровинг, които след това се използват за направата на тъкани и нетъкани тъкани и ленти. Понякога влакната се полагат в полимерна матрица без преплитане (UD).
Тъй като влакната работят добре при опън, но лошо при огъване и компресия, тогава идеален вариантИзползването на въглеродни влакна е да се използва под формата на въглеродна тъкан. Получава се чрез различни видове тъкане: рибена кост, матиране и др., Които имат международни наименования Plain, Twill, Satin. Понякога влакната просто се пресичат напречно с големи шевове, преди да се напълнят със смола. Правилните технически характеристики на влакното и вида на тъкане за въглеродни влакна са много важни за получаването на висококачествени въглеродни влакна.
Епоксидните смоли най-често се използват като носеща основа, в която тъканта се полага слой по слой, с промяна в посоката на тъкане, за равномерно разпределяне на механичните свойства на ориентираните влакна. Най-често 1 mm дебелина на въглеродния лист съдържа 3-4 слоя.
Предимства и недостатъци на въглеродните влакна
По-високата цена на въглерода в сравнение с фибростъклото и фибростъклото се обяснява с по-сложна, енергоемка многостепенна технология, скъпи смоли и по-скъпо оборудване (автоклав). Но здравината и еластичността също са по-високи, заедно с много други неоспорими предимства:
- 40% по-лек от стомана, 20% по-лек от алуминий (1,7 g/cm3 - 2,8 g/cm3 - 7,8 g/cm3),
- карбонът, направен от карбон и кевлар, е малко по-тежък от карбон и каучук, но много по-здрав и при удар се напуква, разпада, но не се разпада на фрагменти,
- висока устойчивост на топлина: карбонът запазва формата и свойствата си до температура от 2000 ○C.
- има добри свойства за потискане на вибрациите и топлинен капацитет,
- устойчивост на корозия,
- висока якост на опън и висока граница на еластичност,
- естетика и декоративност.
Но в сравнение с частите от метал и фибростъкло, карбоновите части имат недостатъци:
- чувствителност към точни въздействия,
- трудност при възстановяване с чипове и драскотини,
- избледняване, избледняване под въздействието на слънчева светлина, покрито с лак или емайл за защита,
- дълъг производствен процес,
- в местата на контакт с метал започва метална корозия, така че на такива места се фиксират вложки от фибростъкло,
- трудности при рециклиране и повторна употреба.
Как се прави въглеродът
Съществуват следните основни методи за производство на продукти от въглеродни влакна.
1. Пресоване или "мокър" метод
Платното се поставя във форма и се импрегнира с епоксидна или полиестерна смола. Излишната смола се отстранява чрез вакуумно формоване или налягане. Продуктът се отстранява след полимеризация на смолата. Този процес може да се случи или естествено, или ускорен чрез нагряване. Обикновено този процес води до листове от въглеродни влакна.
2. Формоване
Изработва се модел на изделието (матрица) от гипс, алабастър и полиуретанова пяна, върху които е положен плат, импрегниран със смола. При валцуване с ролки, композитът се уплътнява и излишният въздух се отстранява. След това се извършва или ускорена полимеризация и втвърдяване в пещ, или естествено. Този метод се нарича "сух" и продуктите, направени от него, са по-здрави и леки от тези, направени по "мокрия" метод. Повърхността на продукт, изработен по "сух" метод, е оребрена (ако не е лакирана).
Тази категория включва и формоване от листови заготовки - препреги.
Въз основа на способността им да полимеризират с повишаване на температурата, смолите се разделят на „студени“ и „горещи“. Последните се използват в технологията за препрег, когато полуготовите продукти се произвеждат под формата на няколко слоя въглеродни влакна, покрити със смола. В зависимост от марката смола, те могат да се съхраняват до няколко седмици в неполимеризирано състояние, наслоени с найлоново фолио и прекарани между ролки, за да се отстранят въздушните мехурчета и излишната смола. Понякога препрегите се съхраняват в хладилници. Преди формоването на продукта детайлът се нагрява и смолата отново става течна.
3. Навиване
Конец, лента, плат се навиват върху цилиндрична заготовка за производство на въглеродни тръби. Смолата се нанася слой по слой с четка или валяк и се суши основно в пещ.
Във всички случаи повърхността за нанасяне се намазва с отделители за лесно отстраняване на получения продукт след втвърдяване.
Направи си сам въглеродни влакна
Продуктите на базата на въглеродни влакна могат да бъдат формовани сами, което отдавна се използва успешно при ремонта на велосипеди, спортно оборудване и настройка на автомобили. Възможността за експериментиране със смолни пълнители и степента на нейната прозрачност предоставя широко поле за творчество за феновете на автонастройката от въглеродни влакна. Можете да прочетете повече за основните методи за производство на карбонови части.
Както следва от описаната по-горе технология, за формоване е необходимо:
- матрична форма,
- карбонов лист,
- смазка за форми за лесно отстраняване на готовия детайл,
- смола.
Къде мога да взема въглеродни влакна? Тайван, Китай, Русия. Но в Русия се отнася до „високоякостни структурни тъкани на базата на въглеродни влакна“. Ако намерите път към предприятието, значи сте голям късметлия. Много компании предлагат готови DIY комплекти за тапицерия от въглеродни влакна за автомобили и мотоциклети, включително фрагменти от въглеродни влакна и смола.
70% от световния пазар на въглеродни тъкани се произвежда от големи тайвански и японски марки: Mitsubishi, TORAY, TOHO, CYTEC, Zoltec и др.
IN общо очертаниеПроцесът на производство на въглеродни влакна със собствените си ръце изглежда така:
- Формата се намазва с антиадхезив.
- След като изсъхне, се нанася тънък слой смола, върху който въглеродните влакна се навиват или пресоват за освобождаване на въздушни мехурчета.
- След това се нанася още един слой импрегнираща смола. Могат да се нанасят няколко слоя плат и смола, в зависимост от необходимите параметри на продукта.
- Смолата може да полимеризира във въздуха. Това обикновено се случва в рамките на 5 дни. Можете да поставите детайла в нагревателен шкаф, загрят до температура от 140 - 180 ◦C, което значително ще ускори процеса на полимеризация.
След това продуктът се изважда от матрицата, шлайфа се, полира, лакира, покрива с гел или боядисва.
Надяваме се, че сте намерили изчерпателен отговор на въпроса „Какво е въглерод”?
Ирина Химич, технически консултант
Известно е, че солидният показател за якост на опън спрямо собственото си тегло, който има въглеродните влакна, е уникално постижение на материала и отваря ярки перспективи за използване в националната икономика. Използването на въглерод в съвременното строителство все още не е широко разпространено, въпреки че не е трудно да се купи въглерод в днешно време. Но простите и надеждни методи на приложение обещават да продължат дълго време.
Въглеродни влакна
Първото производство на въглеродни влакна чрез пиролиза на вискозни влакна и използване за нишки с нажежаема жичка е патентовано от Едисън в края на 18 век.
Повишеният интерес към влакната се появява през 20 век в резултат на търсенето на материал за композитни компоненти при производството на ракетни и авиационни двигатели.
По отношение на своите качества: топлоустойчивост и топлоизолационни свойства, както и устойчивост на корозия, въглеродните влакна нямаха равни.
Характеристиките на първите проби от полиакрилонитрилни (PAN) влакна бяха ниски, но подобренията в технологията направиха възможно получаването на въглеводородни влакна с якост на въглеродните влакна от 2070 MPa и модул на еластичност от 480 GPa.
Днес въглеродните влакна или въглеродните влакна имат широк спектър от приложения в строителството:
- за външна армировъчна система
- за ремонт на носещи конструкции на складове и мостове, промишлени и жилищни сгради.
Използването на продукти от въглеродни влакна позволява извършването на строителни дейности, в сравнение със съществуващите методи за реконструкция или укрепване, бързо и ефективно.
Но една история за постиженията на въглеродните влакна би била непълна, без да се спомене използването им в производството на части за самолети.
Постиженията на местните производители на самолети осигуряват здравословна конкуренция на Mitsubishi Heavy Industries, която произвежда части за Boeing 787.
Производство на изделия от полимерни материали
Полимерният материал - карбон е тънковолокнеста нишка ø от 5 до 15 микрона, образувана от въглеродни атоми и обединени в микрокристали. Това е подравняването по време на ориентацията на кристалите, което дава на нишките добра здравина и удължение, ниско специфично тегло и коефициент на топлинно разширение и химическа инертност.
Производствените процеси за производство на PAN влакна включват автоклавна технология и последващо импрегниране за армиране със смола. Въглеродните влакна се вливат в пластмаса (препрег) и се вливат в течна пластмаса, укрепвайки влакнестите нишки под налягане.
Според физическите характеристики въглеродните влакна се разделят на видове:
- високоякостни въглеродни влакна (състав от 12 000 непрекъснати влакна)
- карбонизирани въглеродни влакна за общо предназначение (усукани нишки от 2 или повече влакна с дължина до 100 mm).
Структурите от въглеродни влакна, подсилени с продукти, направени от материала, намаляват теглото на конструкцията с 30%, а химическата инертност позволява използването на въглеродни тъкани при пречистване на агресивни течности и газове от примеси като филтър.
Производството на въглеродни влакна е представено в това видео.
Гама продукти от въглеродни влакна
карбонови тъкани
Основният продукт, произведен от високомодулни въглеродни влакна, е въглеродна тъкан с дебелина от 1,6 - 5,0 mm, имаща структура на тъкана гладка тъкан с плътност от 520 до 560 g/m².
Карбоновите тъкани, които имат нулев коефициент на линейно разширение, са силно устойчиви на деформация и корозия.
Характеристиките на стандартните въглеродни тъкани са:
Параметрите на карбоновите тъкани са:
- ширина на острието 1000-2000мм
- въглеродно съдържание 98,5%
- плътност 100-640 g/m2
- дебелина 0,25-0,30 мм.
В допълнение към въглеродните тъкани, основните продукти от високомодулни влакна са ленти и шнурове.
Има следните видове тъкани въглеродни тъкани, които до известна степен влияят върху мобилността на продукта:
- бельо тъкане, създадено чрез преплитане на всяка основна нишка с 1/1 вътъчна нишка, създавайки по-добра здравина и движение на тъканта
- сатен тъкане, при което една вътъчна нишка преплита 4-5 нишки на основата, намалявайки възможността тъканта да се огъне твърде много
- кепър тъкане, при което броят на нишките на основата е покрит със същия брой нишки на вътъка.
Пример за възможността за тъкане на кепър е многоцветната въглеродна тъкан. Многоцветната въглеродна тъкан се използва успешно за създаване на кевларени дрехи и неща, които са хигроскопични и способни на обмен на въздух. Кевларът, произведен от технически нишки с различна плътност и структура, вече навлезе в употреба в автомобилната и военната индустрия, измествайки фибростъкло и стомана.
Предимствата на карбона са ясно изразени в продуктите, изработени от карбонизирани въглеродни влакна.
продукти от карбонизирани влакна
Гамата от продукти, произведени от карбонизирани влакна, е по-разширена и е представена от:
- карбонизирана въглеродна тъкан RK-300 (заместител на фибростъкло)
- тъкан с едностранно алуминиево покритие RK-300AF (подобрените свойства поради термичния екран позволяват използването на въглерод като топлоизолационен материал за намотка)
- въглеродни строителни тъкани 1k, 3k, 6k, 12k, 24k, 48k
- карбонизирани ленти и шнурове.
Тъканото платно, изработено от въглеродни или карбонизирани влакна, изпълнява отлични функции за подсилване, независимо от вида на пълнителя.
В допълнение, екрани, които абсорбират EMR, термодвойки и електроди, както и радиотехнически продукти, се правят с помощта на карбонизирани влакна.
производство на басейни с карбонова армировка
При производството на басейни с армировка от въглеродни влакна, технологията включва етап на добавяне на армировка от въглеродни влакна, дървесна балса и порест каучук към керамичния слой. Основата за създаването на двойна рамка на купа за басейн с въглеродна армировка бяха изградените диаграми на натоварване и допустимите напрежения върху материала.
Нека заключим, че нарастващата популярност на използването на въглеродни влакна в бъдеще ще може да измести армиращите материали от пазара.