Углепластики или карбон , карбонопластики, от англ. carbon углерод полимерные композиционные материалы из переплетённых нитей углеродного волокна, расположенных в матрице из полимерных например, эпоксидных смол. Плотность от 1450 кг м³ до 2000 кг м³. Материалы отличаются высокой прочностью, жёсткостью и малой массой, часто прочнее стали, но гораздо легче. По удельным характеристикам превосходит высокопрочную сталь , например, легированную конструкционную сталь 25ХГСА. Вследствие дороговизны при экономии средств и отсутствии необходимости получения максимальных характеристик этот материал применяют в качестве усиливающих дополнений в основном материале конструкции. Лист из углепластика Основные сведения Основная составляющая часть углепластика это нити углерода. Такие нити очень тонкие примерно 0,005-0,010 мм в диаметре , 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 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. 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 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. 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 стеклонитью, а для производства деталей требуется более дорогое оборудование к примеру, такое как автоклав . Недостатки При производстве углепластиков необходимо очень строго выдерживать технологические параметры, при нарушении которых прочностные свойства изделий резко снижаются. Необходимы сложные и дорогостоящие меры контроля качества изделий в том числе, ультразвуковая дефектоскопия, рентгеновская, токовихревая, оптическая голография и даже акустический контроль . Другим серьёзным недостатком углепластиков является их низкая стойкость по отношению к ударным нагрузкам. Повреждения конструкций при ударах посторонними предметами даже при падении инструмента на неё в виде внутренних трещин и расслоений могут быть невидимы глазу, но приводят к снижению прочности разрушение повреждённой ударами конструкции может произойти уже при относительной деформации, равной 0,5 . Производство Углепластик 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, 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 -25 C . Затем бампер снимается, если надо шлифуется и красится. Вакуумная инфузия . На подготовленную матрицу выкладывается углеродная ткань без пропитки , далее выкладываются технологические слои для равномерного распространения связующего. Под технологический пакет подается разряжение. После этого открывается клапан подачи связующего и оно, под действием вакуума заполняет пустоты и пропитывает углеродную ткань. Вакуумная формование. Это изменение формы плоских заготовок Общие положения Углепластик это композиционный многослойный материал, представляющий собой полотно из углеродных волокон в оболочке из термореактивных полимерных чаще эпоксидных смол, Carbon-fiber-reinforced polymer . Международное наименование Carbon это углерод, из которого и получаются карбоновые волокна carbon fiber. Но в настоящее время к карбонам относят все композитные материалы, в которых несущей основой являются углеродные волокна, а вот связующее сможет быть разным. То есть карбон и углепластик объединились в один термин, привнеся путаницу в головы потребителей. Это инновационный материал, высокая стоимость которого обусловлена трудоемким технологическим процессом и большой долей ручного труда при этом. По мере совершенствования и автоматизации процессов изготовления карбона его стоимость будет снижаться. Для примера стоимость 1 кг стали менее 1 доллара, 1 кг карбона европейского производства стоит около 20 долларов. Удешевление возможно только за счет полной автоматизации процесса. Применение карбона Изначально карбон был разработан для спортивного автомобилестроения и космической техники, но благодаря своим отличным эксплуатационным свойствам, таким как малый вес и высокая прочность, получил широкое распространение и в других отраслях промышленности в самолетостроении, для спортивного инвентаря клюшек, шлемов, велосипедов. удочек, медицинской техники и др. Гибкость углеродного полотна, возможность его удобного раскроя и резки, последующей пропитки эпоксидной смолой позволяют формовать карбоновые изделия любой формы и размеров, в том числе и самостоятельно. Полученные заготовки можно шлифовать, полировать, красить и наносить флексопечать. Технические характеристики и особенности карбона Популярность углепластика объясняется его уникальными эксплуатационными характеристиками, которые получаются в результате сочетания в одном композите совершенно разных по своим свойствам материалов углеродного полотна в качестве несущей основы и эпоксидных компаундов в качестве связующего. Армирующий элемент, общий для всех видов углепластика углеродные волокна толщиной 0,005-0,010 мм, которые прекрасно работают на растяжение, но имеют низкую прочность на изгиб, то есть они анизотропны, прочны только в одном направлении, поэтому их использование оправдано только в виде полотна. Дополнительно армирование может проводиться каучуком, придающим серый оттенок карбону. Карбон характеризуются высокой прочностью, износостойкостью, жёсткостью и малой, по сравнению со сталью, массой. Его плотность от 1450 кг м³ до 2000 кг м³. Технические характеристики углеволокна можно посмотреть всравнительной таблице плотности, температуры плавления и прочностных характеристик. Еще один элемент, используемый для армирования вместе с углеродными нитями кевлар . Это те самые желтые нити, которые можно видеть в некоторых разновидностях углепластика. Некоторые недобросовестные производители выдают за кевлар цветное стекловолокно, окрашенные волокна вискозы, полиэтилена, адгезия которых со смолами гораздо хуже, чем у углепластика, да и прочность на разрыв в разы меньше. Кевлар это американская торговая марка класса полимеров арамидов, родственных полиамидам, лавсанам. Это название уже стало нарицательным для всех волокон этого класса. Армирование повышает сопротивление изгибающим нагрузкам, поэтому его широко используют в комбинации с углепластиком. Особенности технологии изготовления углеродного волокна Волокна, состоящие из тончайших нитей углерода, получают термической обработкой на воздухе, то есть окислением, полимерных или органических нитей полиакрилонитрильных, фенольных, лигниновых, вискозных при температуре 250 C в течение 24 часов, то есть практически их обугливанием. Вот так выглядит под микроскопом нить после обугливания. После окисления проходит карбонизация нагрев волокна в среде азота или аргона при температурах от 800 до 1500 C для выстраивания структур, подобных молекулам графита. Затем проводится графитизация насыщение углеродом в этой же среде при температуре 1300-3000 C. Этот процесс может повторяться несколько раз, очищая графитовое волокно от азота, повышая концентрацию углерода и делая его прочнее. Чем выше температура, тем прочнее получается волокно. Этой обработкой концентрация углерода в волокне увеличивается до 99 . Виды волокон карбона. Полотно Волокна могут быть короткими, резаными, их называют штапелированными , а могут быть непрерывные нити на бобинах. Это могут быть жгуты, пряжа, ровинг, которые затем используются для изготовления тканого и нетканого полотна и лент. Иногда волокна укладываются в полимерную матрицу без переплетения UD . Так как волокна отлично работают на растяжение, но плохо на изгиб и сжатие, то идеальным вариантом использования углеволокна является применение его в виде полотна Carbon Fabric. Оно получается