Uhlíkové vlákno: vlastnosti, fotografie, výroba, použitie. Použitie uhlíkových vlákien v stavebníctve Čo je silnejšie: sklenené vlákno alebo uhlíkové vlákno?

Plasty vystužené uhlíkovými vláknami(karboplasty, karbonoplasty) sú kompozity obsahujúce uhlíkové vlákna ako plnivo. Táto relatívne nová trieda PCM prešla v posledných rokoch najintenzívnejším vývojom vďaka svojim jedinečným vlastnostiam, a to:

  • vysoké hodnoty pevnosti a tuhosti
  • nízka hustota
  • chemická inertnosť
  • tepelná a elektrická vodivosť
  • vysoká únavová pevnosť
  • nízke dotvarovanie
  • nízke hodnoty koeficientu lineárnej tepelnej rozťažnosti
  • vysoká odolnosť voči žiareniu

Dôležitým faktorom, ktorý do určitej miery určuje perspektívu plastov vystužených uhlíkovými vláknami, je ich dobrá spracovateľnosť, ktorá umožňuje spracovávať plasty vystužené uhlíkovými vláknami na produkty pomocou štandardných technologických zariadení s minimálnymi nákladmi na prácu a energiu.

V závislosti od typu karbónovej výstužnej výplne, jej textúrneho tvaru a geometrických rozmerov možno plasty vystužené uhlíkovými vláknami rozdeliť do troch skupín:

  • uhlíkové vlákno
  • lamináty z uhlíkových vlákien
  • uhlíkové vlákno

Skupinu uhlíkových vlákien tvoria plasty z uhlíkových vlákien na báze kontinuálnych orientovaných uhlíkových vlákien, kúdele a rovingy. Najreprezentatívnejšou skupinou plastov vystužených uhlíkovými vláknami sú lamináty s uhlíkovými vláknami, v ktorých sa ako spevňujúce plnivo používajú tkané pásky a tkaniny rôznych tvarov s textúrou. Plasty z uhlíkových vlákien na báze diskrétnych vlákien tvoria skupinu uhlíkových vlákien.

Výstužné plnivá

Proces výroby uhlíkových vlákien pozostáva z postupných teplotných a mechanických vplyvov na pôvodné organické vlákna, čo vedie k ich karbonizácii, grafitizácii a zlepšeniu štruktúry.

V prvej fáze zahriatie pôvodných natiahnutých vlákien na teplotu 220 °C vedie k vytvoreniu priečnych väzieb medzi makromolekulami polyméru.

V druhom stupni zahriatie na teplotu 1000 °C umožňuje získať takzvané karbonizované vlákna, ktoré pozostávajú z 80...95 % elementárneho uhlíka a majú pomerne vysokú pevnosť.

V treťom stupni (tepelné spracovanie na teploty 1500...2000 °C) sa získa konečný produkt - grafitizované uhlíkové vlákno s kryštálovou štruktúrou blízkou štruktúre grafitu. V závislosti od výrobných podmienok a druhu suroviny je pevnosť v ťahu a modul pružnosti uhlíkových vlákien v rozmedzí 2...3,5 GPa a 220...700 GPa. Najväčšiu pevnosť majú vlákna, ktoré po zahriatí v poslednom stupni (T = 1600 °C) majú jemne kryštalickú štruktúru. Vysokomodulové materiály sa získavajú naťahovaním vlákien pri teplote 2700 °C.

Uhlíkové vlákna sa používajú ako výstužné prvky vo forme prameňov, pások a tkanín. Sú krehkejšie a technologicky menej vyspelé ako sklo, vyznačujú sa chemickou inertnosťou a nízkou povrchovou energiou, čo spôsobuje zlé zmáčanie vlákien roztokmi a taveninami matricových materiálov, čo v konečnom dôsledku vedie k nízkej adhéznej sile na rozhraní vlákna a matrice. Hlavnou výhodou je vysoká tuhosť. Mechanické vlastnosti zostávajú konštantné až do teploty 450 °C, čo umožňuje použitie uhlíkových vlákien s polymérnymi a kovovými matricami. Vlákna sa vyznačujú negatívnym koeficientom lineárnej rozťažnosti, čo spolu s kladným koeficientom matrice umožňuje syntetizovať kompozície pre štruktúry, ktoré si pri vystavení teplote zachovávajú svoje rozmery. Na výrobu prvkov sa používajú uhlíkové vlákna, ktorých požadovaná tuhosť je podmienkou, ktorá znižuje efektivitu použitia materiálov vystužených sklenenými vláknami. Cena uhlíkových vlákien je o dva rády vyššia ako sklenených vlákien.

Polymérne matrice

Polymérna matrica určuje prevádzkové a technologické vlastnosti plastu z uhlíkových vlákien. Pre plasty vystužené uhlíkovými vláknami sa používajú termosetové aj termoplastické matrice. Z termosetových matríc sú najpoužívanejšie epoxidové spojivá: epoxy-anilinofenol-formaldehydový stupeň 5-211-B, epoxy-navolak - UNDF, epoxid modifikovaný diaplastom - UP-2227, spojivo na báze tetrafunkčnej epoxidovej živice - VS-2526k , na báze zmesi troch epoxidových živíc spojiva - EDT-69N. Použitie epoxidových matríc zabezpečuje výrobu plastov vystužených uhlíkovými vláknami s vysokou pevnosťou, odolnosťou voči vode a chemikáliám, dobrou prevádzkovou spoľahlivosťou a životnosťou.

Najčastejšie používané termoplastické matrice sú polyimid SP-97, polyamidimid PAIS-104 a polysulfón, ktoré zaisťujú výkonnosť uhlíkových plastov pri vyšších teplotách (najmä polyimidová matrica - do 200...300 °C). Hlavnou nevýhodou týchto matríc je náročnosť výroby polotovarov (impregnovaných pások - prepregov) na ich báze a vysoké teploty ich vytvrdzovania.

Dlhodobá tepelná expozícia môže spôsobiť nevyhnutnú zmenu chemickej štruktúry polymérov v dôsledku tepelnej degradácie. Pri dlhšom vystavení premenlivému mechanickému zaťaženiu a nedostatočnom odvode tepla môže dôjsť k prechodu od mechanickej deštrukcie materiálu k tepelnej deštrukcii v dôsledku disipácie mechanickej energie na energiu tepelnú.

Parameter

Trieda uhlíkových vlákien
KMU-1 lm KMU-3 KMU-Zlp KMU-4l KMU-4e KMU-9 KMU-9t KMU-9tr

Filler

Postroj VMN-4

 Páska LU-P Postroj VMN-4 Páska LU-P Páska LU-P Elur-P páska Postroj UKN-11/500 Páska UOL-300 Tkanina UT-900-2,5
ETF-M 5-211B 5-211B ENFB ENFB UNDF-4A UNDF-4AR UNDF-4AR
58-63 57-63 50-55 50-55 54-59 60-62 58-62 55-59

Hustota p-KG 3, kg/m 3

 1,48-1,50 1,4-1,45 1,4-1,45 1,45-1,50 1,49-1,52 1,55-1,58 1,52-1,56 1,52-1.54

Pevnosť v ťahu, MPa: pozdĺž zrna cez zrno

 780 18 110023 730 20 800 24 900 32 1500 32 1500 28 60 60

Pevnosť v tlaku, MPa:

pozdĺž zrna cez zrno

 580 130 700 150 530 120 750 130 900 130 1200 140 1200 160 60 58

Pevnosť v šmyku pozdĺž vlákien, MPa

 61 40 54 70 78 85 78 52

Modul pružnosti v ťahu, GPa: pozdĺž VLÁKNA Ey cez vlákna E-,

 145 180 9 1479,9 140 10 120 10 140 9 1258 67 67

Modul pružnosti v šmyku G]->, GPa

 4,5 5,1 5,1 6,0 6,5 6,8 5,2 8,0

Poissonov pomer Mts

 0,27 0,31 0,27 0,25 0,265 0,27 0,33 0,07

Fyzikálno-mechanické vlastnosti plastov vystužených uhlíkovými vláknami

Úroveň vlastností plastov vystužených uhlíkovými vláknami závisí od charakteristík použitých uhlíkových vlákien, typu a tvaru textúry výstužného plniva, elasticko-pevnostných vlastností polymérnej matrice, kvality prierezu vlákna s matricou, spracovania. technológia a štruktúra výstuže materiálu. Značné množstvo informácií sa nazhromaždilo o fyzikálnych a mechanických vlastnostiach plastov vystužených epoxidovými uhlíkovými vláknami, ich správaní sa pri rôznych typoch zaťaženia (statika, opakovaná statika, dynamika) a deformácie (ťah, tlak, šmyk, šmyk, drvenie), ako aj na životnosť a životnosť v rôznych produktoch. V tabuľke sú uvedené údaje o vlastnostiach jednosmerných plastov vystužených uhlíkovými vláknami.

Plasty vystužené uhlíkovými vláknami majú pomerne vysokú dlhodobú pevnosť a nízke tečenie vďaka vysokej tuhosti a nízkej deformovateľnosti uhlíkových vlákien. Koeficient dlhodobej odolnosti Rt plastov s uhlíkovými vláknami v rozsahu prevádzkových teplôt t = 80...200 °C a pri zaťažení r = 500...1000 hodín v ťahu a tlaku je 0,5...0,9 % krátkodobú pevnosť materiálu. Dotvarovanie plastov vystužených uhlíkovými vláknami pri dlhodobom zaťažení pri zaťažení (0,4 - 0,5) GB spravidla nepresahuje 0,1...0,5%. Tieto vlastnosti majú priaznivý vplyv na vlastnosti materiálu pri dlhodobom zaťažení vysoký stupeň efektívne stresy.

Plasty vystužené uhlíkovými vláknami majú najvyššiu únavovú pevnosť spomedzi známych CM. Koeficient odolnosti proti únave v závislosti od typu a stupňa asymetrie cyklu sa rovná (0,5...0,7) GВ, t.j. 2-3 krát vyšší ako koeficient sklolaminátových plastov, čo je tiež spojené s vysokými hodnotami. modul pružnosti uhlíkových vlákien a v dôsledku toho nižšia úroveň napätia a menšie poškodenie polymérnej matrice.

Odolnosť plastu vystuženého uhlíkovými vláknami možno posúdiť prostredníctvom vlastností a zloženia jeho komponentov takto:

GR= GM*GB* (EB/EM)*K.

Z rovnice vyplýva, že únavová pevnosť kompozitu je priamo úmerná pevnosti GM matrice a modulu pružnosti výstužných vlákien EB a nepriamo úmerná modulu pružnosti EM matrice. Koeficient K charakterizuje mieru využitia pevnosti matrice pri cyklickom zaťažení a zohľadňuje spolu s povahou matrice aj vplyv technológie výroby kompozitu a úroveň vnútorných zvyškových napätí.

V porovnaní s inými PCM majú plasty z uhlíkových vlákien nižšiu špecifickú rázovú húževnatosť, odolnosť proti praskaniu a koncentráciu zvyškového napätia. Citlivosť plastov vystužených uhlíkovými vláknami na koncentráciu napätia je výrazne ovplyvnená štruktúrou výstuže a smerom pôsobenia zaťaženia vo vzťahu k orientácii vlákien.

Pri natiahnutí pod uhlom ±45° k smeru vystuženia teda pevnosť uhlíkových vlákien veľmi málo závisí od veľkosti koncentrátora. Malé chyby, napríklad otvory s priemerom nepresahujúcim 4 mm, tiež nemajú takmer žiadny vplyv na pevnosť plastov vystužených uhlíkovými vláknami s kvázi izotropnou štruktúrou, a to pri krátkodobom aj dlhodobom statickom a únavovom zaťažení.

Zvýšenie zvyškovej pevnosti a lomovej húževnatosti plastov vystužených uhlíkovými vláknami je možné vytvorením hybridného (polyvláknového) materiálu vo forme striedajúcich sa súvislých vrstiev uhlíka a skla, uhlíkových a organických plnív alebo vo forme periodicky umiestnených vysokomodulových ( bór) alebo nízkomodulové (sklo s výstužou ±45°) zátky trhlín. Použitie zátok s vysokým modulom vedie k prerozdeleniu väčšiny zaťaženia zátok na hrote trhliny a účinnosť zátok s nízkym modulom je vytvoriť zónu nízke napätie so zvýšenou lomovou húževnatosťou, ktorá zabraňuje šíreniu trhlín.

Rázová húževnatosť materiálu, pri zanedbaní pevnosti matrice, je určená parametrom ((Ga)^2/2E)*VB (kde Ga je realizovaná pevnosť vlákna v kompozite), preto sa má zvýšiť rázová húževnatosť plastov s uhlíkovými vláknami, je vhodné do nich zaviesť vlákna s vysokou pevnosťou, ale s nízkym modulom, ako sú sklenené alebo organické vlákna. Rázová húževnatosť polyvláknového materiálu obsahujúceho vlákna s nízkym modulom v množstve V2 s modulom pružnosti E2 pri realizácii pevnosti vlákien v kompozite G2 a vlákien s vysokým modulom v množstve V1 s modulom pružnosti E1 a realizovanú pevnosť uhlíkových vlákien v kompozite G1 možno určiť výrazom:

a = ((G1^2)/2E1)V1 + ((G2^2)/2E2)V2

Tlmiaca schopnosť plastu s uhlíkovými vláknami je daná najmä disipáciou energie v matrici, sprevádzanou prechodom mechanickej energie na tepelnú, chemickú a elektrickú energiu a výrazne závisí od úrovne zaťaženia, štruktúry výstuže materiálu a prevádzková teplota. Ak majú jednosmerné plasty vystužené uhlíkovými vláknami úroveň tlmiacej kapacity pozdĺž vlákien 0,5... 1,0 %, potom v plastoch vystužených uhlopriečne vystuženými uhlíkovými vláknami sa zvýši 5-7 krát.

Nárast mechanických strát so zvyšujúcou sa teplotou sa vysvetľuje poklesom šmykového modulu uhlíkových vlákien, ktorý je spojený s výraznými fyzikálnymi zmenami vyskytujúcimi sa v polymérnych spojivách so zvyšujúcou sa teplotou. S poklesom šmykového modulu sa pozoruje monotónny nárast koeficientu mechanickej straty.

Ryža. Závislosť konečnej pevnosti (1) a modulu pružnosti v ťahu (2), logaritmický dekrement útlmu (3) na štruktúre výstuže plastu KMU-4e vystuženého uhlíkovými vláknami

Ryža. Závislosť logaritmického dekrementu od šmykového modulu polymérnej matrice pre plasty s uhlíkovými vláknami KMU-Zl, KMU-1lm, KMU-4e pri teplotách: 20 °C (7), 100 °C (2), 150 °C (5 ), 180 °C (4), 200 °C (5)

Termofyzikálne vlastnosti plastov s uhlíkovými vláknami závisia od typu vlákien, typu a objemového obsahu matrice, obsahu pórov v matrici a testovacej teploty. Pre rôzne plasty vystužené uhlíkovými vláknami sa výrazne nelíšia a sú v nasledujúcich rozsahoch:

  • pre koeficienty tepelnej vodivosti 0,5... 1,0 W/m*C;
  • pre koeficienty tepelnej rozťažnosti (-1,5...0,5)*10-6/°С;
  • pre koeficient tepelnej kapacity 0,8… 1,5 kcal/kg * °C.

Dostupné informácie o správaní plastov vystužených uhlíkovými vláknami pod vplyvom rôznych faktorov prostredia a v podmienkach blízkych prevádzkovým podmienkam možno použiť na predpovedanie charakteristík ich životnosti.

Spomedzi rôznych typov expozície je najnebezpečnejším a najnegatívnejším ovplyvňujúcim štruktúru a vlastnosti všetkých PCM klimatické tepelné a vlhkostné cykly, ktoré sa striedajú alebo kombinujú s prevádzkovým tepelným alebo mechanickým zaťažením. Vlastnosti plastov vystužených uhlíkovými vláknami v suchom stave pri izbovej a zvýšenej teplote a po dlhodobom tepelnom starnutí sa mierne menia. Pri kombinovanom pôsobení vlhkosti a teploty sa pozorujú štrukturálne premeny v matrici a na rozhraniach vlákna a matrice, čo spôsobuje zhoršenie charakteristík. Mechanizmus zmien vlastností v dôsledku sorpcie vlhkosti je spojený s dvoma hlavnými procesmi: stratami tepelnej pevnosti a tuhosti v dôsledku plastifikácie matrice v objeme a v hraničnej vrstve a stratami v dôsledku mikro- a makropraskania matrice. V závislosti od typu materiálu sa ich maximálna absorpcia vlhkosti líši 1,5-2 krát a je 1% pre materiály najviac odolné voči vlhkosti.

Úroveň bezpečného obsahu vlhkosti v plastoch vystužených uhlíkovými vláknami je 0,6...0,7 %; ďalšie zvýšenie obsahu vlhkosti môže viesť k zníženiu elasticko-pevnostných charakteristík plastov vystužených uhlíkovými vláknami pri maximálnej prevádzkovej teplote o 15...20 %.

Technologické metódy spracovania plastov vystužených uhlíkovými vláknami sú podobné technológii spracovania SP. V závislosti od tvaru a geometrických rozmerov dielu sa používajú vhodné spôsoby formovania: lisovanie, formovanie v autokláve, navíjanie, pultrúzia, vákuové alebo komorové formovanie, tlaková impregnácia. Hlavná vec v technologický postup— zabezpečiť splnenie požiadaviek na hlavné technologické parametre formovacieho režimu (tvarovacia teplota a rýchlosť nábehu teploty, veľkosť a čas pôsobenia formovacieho tlaku, doba výdrže v jednotlivých formovacích režimoch, rýchlosť a teplota chladenia).


Oblasti efektívnej aplikácie plastov vystužených uhlíkovými vláknami

Z hľadiska rozsahu svojich vlastností plasty s uhlíkovými vláknami výrazne prevyšujú tradičné ocele, hliníkové a titánové zliatiny, majú zvýšenú špecifickú pevnosť a tuhosť, vysokú únavu a dlhodobú pevnosť, schopnosť regulovať anizotropiu vlastností, široký rozsah tepelných a elektrických charakteristík a všestrannosti účelu. Plasty vystužené uhlíkovými vláknami sa čoraz častejšie používajú v rôznych priemyselných odvetviach.

V technológii sa objem zavedenia plastov vystužených uhlíkovými vláknami v 70. až 90. rokoch 20. storočia rýchlo zvýšil: z 2...4 % (hmotnosti konštrukcie) na 25...60 %.

V konštrukčných riešeniach na výrobu dielov vyrobených z plastu vystuženého uhlíkovými vláknami možno rozlíšiť tri smery:

  • monolitické konštrukcie
  • trojvrstvové panely (hlavne s voštinovým jadrom)
  • kombinované (kovovo-plastové) konštrukcie

V každom konkrétnom prípade je potrebné zhodnotiť hmotnosť, technickú a prevádzkovú efektívnosť konštrukcie.

Hlavným trendom v používaní plastov vystužených uhlíkovými vláknami je vytváranie veľkorozmerných konštrukčných prvkov. Súčasne sa výrazne zníži počet prichádzajúcich častí a dôjde k ďalšiemu zníženiu hmotnosti konštrukcie v dôsledku zníženia počtu spojov. Použitie plastov z uhlíkových vlákien v konštrukciách lietadiel umožňuje znížiť ich hmotnosť o 20...40%, zvýšiť tuhosť konštrukčných prvkov o 30...50%, výdrž 3-4 krát a v niektorých prípadoch zvýšiť pevnosť konštrukcií. Vo vesmírnej technike sa pomocou plastov vystužených uhlíkovými vláknami vyrábajú vysoko smerové antény, mikrovlnné filtre a vlnovody, optické teleskopy, rámy solárnych panelov, kryty raketových motorov, rôzne priehradové konštrukcie, telesá rakiet a prepravné kontajnery.

Zahraničná a domáca prax ukázala uskutočniteľnosť použitia plastov vystužených uhlíkovými vláknami:

  • v automobilovom priemysle - na výrobu karosérií a kabín nákladných áut, dverí, nárazníkov, nádrží na prepravu paliva, jednolistových pružín a závesných ramien, ráfikov kolies, kardanových prevodoviek, krytov motorov, častí ojnice a skupiny piestov (ojnice, piesty, piestne krúžky, ventily atď.);
  • pri stavbe lodí - na trupy námorných a riečnych plavidiel, trupy malých mínoloviek, do panelov, priečok, palubných nadstavieb, na lodné skrutky, na výrobu hlbokomorských dopravných prostriedkov;
  • v poľnohospodárskych strojoch - na výrobu ťahaných poľnohospodárskych zariadení;
  • v priemysle obrábacích strojov - pre lôžka strojov, rotačné časti elektrických zariadení, zotrvačníky, akumulátory kinetickej energie, pre časti strojov s vysokou rýchlosťou otáčania, pre roboty, manipulátory.

Plasty s uhlíkovými vláknami sa vďaka svojej vysokej odolnosti voči chemicky agresívnym kvapalinám a plynom úspešne používajú v chemickom inžinierstve na výrobu reaktorov, potrubí odstrediviek, lopatiek čerpadiel, zrážacích kúpeľov a výfukových potrubí. Pri konštrukcii tkacích strojov sa plasty z uhlíkových vlákien používajú na výrobu česacích a vodiacich tyčí, niteníc, rapírov, pletacích ihiel a tyčí, čo môže zvýšiť životnosť dielov, zvýšiť odolnosť proti opotrebovaniu, znížiť množstvo námahy, zvýšiť produktivitu strojov a zníženie spotreby energie.

Vysoká odolnosť plastov s uhlíkovými vláknami voči žiareniu umožňuje ich použitie v neutrónových zariadeniach, na výrobu kontajnerov a prepravu rádioaktívnych materiálov a na likvidáciu rádioaktívneho odpadu.

Vďaka dobrej elektrickej vodivosti uhlíkových vlákien sa plasty z uhlíkových vlákien s úspechom používajú ako vykurovacie telesá na vykurovanie priestorov, odevov a chovov dobytka.

Vysoká biologická a mechanická kompatibilita uhlíkových vlákien s tkanivami živého organizmu predurčuje perspektívu ich využitia v medicínskej technike.

Nízky koeficient lineárnej tepelnej rozťažnosti plastov z uhlíkových vlákien umožňuje ich využitie v kryogénnej technológii pri výrobe tlakových fliaš na skladovanie skvapalnených plynov, ako aj na potrubia a ventily.

Plasty s uhlíkovými vláknami s vysokou tepelnou odolnosťou sa používajú v hutníctve ako armatúry a výmurovky pecí, časti zariadení ponorených do tekutých kovov, časti a zostavy hutníckych strojov. Plasty vystužené uhlíkovými vláknami sa čoraz častejšie používajú v stavebníctve na výrobu panelov obytných budov, nosníkov, mostov a žeriavov.

V elektrotechnickom priemysle sú na vytváranie čepelí účinné plasty vystužené uhlíkovými vláknami veterné elektrárne rôznych výkonov, v elektromotoroch, prístrojových doskách, na výrobu podpier elektrického vedenia, v izolátoroch pre vysokonapäťové prenosové vedenia, na ochranu pred elektromagnetickými vlnami, v komunikačných anténach, rádiových zariadeniach, difúzoroch reproduktorov.

V železničnej doprave je použitie plastov vystužených uhlíkovými vláknami efektívne pri výrobe automobilov, kontajnerov a závesných jednotiek.

V ropnom a plynárenskom priemysle sa plasty z uhlíkových vlákien používajú v potrubiach na vŕtanie hlbokých vrtov a v plynovodoch.

Plasty vystužené uhlíkovými vláknami sa široko používajú pri výrobe športového vybavenia a športových lietadiel. Výrazne znižujú hmotnosť, zvyšujú tuhosť a letové výkony lietadiel a vetroňov a výkony pretekárskych lodí, jácht, kajakov a kanoí. Vyrábajú sa z nich pretekárske bicykle, motocykle, palice, veslá, golfové a tenisové rakety, luky a šípy, rybárske prúty, hokejky, lyže, lyžiarske palice atď.

Vlastnosti plastov vystužených uhlíkovými vláknami závisia od vlastností uhlíkových vlákien, ktoré sú zase determinované podmienkami pyrolýzy organických vlákien (hydrát celulózy, polyakrylonitril, vlákna z mezofázových smol), ktoré sa v súčasnosti používajú ako suroviny na výrobu uhlíkových vlákien. .

Mechanické vlastnosti. Modul pružnosti v ťahu (pozdĺž vlákien) kvalitných uhlíkových vlákien vysokej pevnosti (na báze PAN) je 200 - 250 GPa, typ s vysokým modulom (na báze PAN) - asi 400 GPa a uhlíkové vlákna na báze kvapaliny kryštalické tóny: 400 - 700 GPa. Pri rovnakej teplote ohrevu majú uhlíkové vlákna na báze tekutých kryštálov vyšší modul pružnosti v ťahu ako vlákna na báze PAN. Modul v ťahu naprieč vláknami (modul tuhosti v ohybe) klesá so zvyšujúcim sa modulom v ťahu pozdĺž vlákien. Pre uhlíkové vlákna na báze PAN je vyššia ako pre vlákna na báze tekutých kryštálov. Na priečny modul pružnosti má vplyv aj orientácia atómových rovín v priereze uhlíkových vlákien. Axiálna pevnosť v ťahu vysokopevnostných uhlíkových vlákien na báze PAN je 3,0 až 3,5 GPa, vlákna s vysokou prieťažnosťou ~ 4,5 GPa a vlákna s vysokým modulom sú 2,0 až 2,5 GPa. Vysokoteplotným spracovaním druhého typu vlákna vznikajú vlákna s vysokým modulom s pevnosťou v ťahu približne 3 GPa. Pevnosť vlákien na báze tekutých kryštálov je zvyčajne 2,0 GPa. Teoretická hodnota pevnosti v ťahu kryštálov grafitu v smere rovín atómovej mriežky je 180 GPa. Experimentálne nameraná pevnosť v ťahu vysokopevnostných a vysokomodulových uhlíkových vlákien na báze PAN v úseku dlhom 0,1 mm je 9-10 GPa Táto hodnota je 1/20 teoretickej hodnoty a 1/2 pevnosti vláknitého grafitu monokryštály. Pre uhlíkové vlákna na báze tekutých kryštálov je pevnosť meraná podobným spôsobom 7 GPa. V tabuľkách 17.1, 17.2 sú uvedené mechanické vlastnosti najbežnejších uhlíkových vlákien.

Nižšia pevnosť priemyselne vyrábaných uhlíkových vlákien je spôsobená tým, že nejde o monokryštály a v ich mikroskopickej štruktúre sú výrazné odchýlky od pravidelnosti. Vlastnosti uhlíkových vlákien možno výrazne zlepšiť až do predĺženia pri pretrhnutí 2 % a pevnosti 5 GPa a viac.

Tabuľka 17.1 - Mechanické vlastnosti uhlíkových vlákien.

Tabuľka 17.2 - Fyzikálne a mechanické vlastnosti uhlíkových vlákien.

Ako je zrejmé z tabuliek, uhlíkové vlákna majú nízku hustotu a vysokú pevnosť v ťahu a modul pružnosti. V dôsledku toho majú uhlíkové vlákna vysokú pevnosť a špecifický modul pružnosti. Najcharakteristickejšou vlastnosťou uhlíkových vlákien je ich vysoký špecifický modul pružnosti. To umožňuje úspešne použiť uhlíkové vlákna na vystužovacie materiály pre konštrukčné účely. Pri porovnaní vysokomodulových vlákien s nízkomodulovými vláknami podobného chemického zloženia je potrebné poznamenať, že s nárastom modulu pružnosti a hustoty uhlíkových vlákien klesá objem uzavretých pórov, priemerný priemer a špecifický povrch a jeho zlepšuje sa elektrická vodivosť.

Elektrické vlastnosti. Nárast modulu pružnosti so znižujúcim sa uhlom textúry znamená, že štruktúra uhlíkových vlákien sa približuje štruktúre grafitu, ktorý má kovovú vodivosť v smere šesťhrannej vrstvy. Uhlíkové vlákna získané pri teplotách nie nižších ako 1000 °C majú vysokú elektrickú vodivosť (viac ako 102 Ohm -1 -cm -1). Zmenou modulu pružnosti a tým aj elektrických vlastností uhlíkového plniva je možné regulovať elektrické vlastnosti kompozitného materiálu. V procese premeny organických vlákien na uhlíkové vlákna dochádza k prechodu cez všetky vodivé pásy. Pôvodné vlákna sú dielektriká pri karbonizácii elektrický odpor prudko klesá, potom so zvýšením teploty spracovania nad 1000 o C, aj keď stále klesá, je menej intenzívny. Karbonizované vlákna sú klasifikované ako polovodiče podľa typu vodivosti, zatiaľ čo grafitizované vlákna pokrývajú rozsah od polovodičov po vodiče a približujú sa k druhému, keď sa teplota spracovania zvyšuje. Pre uhlíkové vlákna je teplotná závislosť vodivosti určená konečnou teplotou ich spracovania a následne koncentráciou elektrónov a veľkosťou kryštálov.

Je potrebné poznamenať, že čím vyššia je teplota karbonizácie, tým nižší je teplotný koeficient elektrickej vodivosti. Uhlíkové vlákna majú dierovú a elektronickú vodivosť. So zvyšujúcim sa teplotným spracovaním, sprevádzaným zlepšovaním štruktúry a zvyšovaním počtu elektrónov, sa zmenšuje medzera vodivosti, preto sa zvyšuje elektrická vodivosť, ktorá sa pri vláknach upravovaných pri vysokých teplotách približuje k elektrickej vodivosti vodičov v absolútnej hodnote.

Tepelné vlastnosti. Jedným z prejavov vlastností anizotropnej štruktúry vysokomodulových uhlíkových vlákien je negatívny koeficient tepelnej lineárnej rozťažnosti pozdĺž osi vlákna, ktorý zvyšuje úroveň zvyškových napätí vo vláknach s vysokým modulom. Pre vlákno s veľkým modulom pružnosti je koeficient vyšší v absolútnej hodnote a má zápornú hodnotu v širšom teplotnom rozsahu. Pre uhlíkové vlákna vyrobené z vlákna PAN (obrázok 17.11) je teda maximálna (v absolútnej hodnote) hodnota koeficientu pozorovaná pri 0°C a so zvyšujúcou sa teplotou sa jeho znamienko mení na opačné (pri teplotách nad 360°C napr. vlákno s E= 380 GPa a nad 220 °C pre vlákno s E= 280 GPa. Treba poznamenať, že krivka na obrázku 3.11 sa dobre zhoduje s podobnou závislosťou koeficientu tepelnej rozťažnosti mriežky pyrolytického grafitu pozdĺž osi A.

Vďaka svojej vysokej väzbovej energii C-C zostávajú uhlíkové vlákna pevné pri veľmi vysokých teplotách, čo dáva kompozitnému materiálu odolnosť voči vysokej teplote. Krátkodobá pevnosť v ťahu vysokomodulového vlákna s obsahom 99,7 hm. % uhlíka zostáva prakticky nezmenené v neutrálnom a redukčnom prostredí až do 2200 °C. Nemení sa ani pri nízkych teplotách. V oxidačnom prostredí zostáva pevnosť uhlíkových vlákien nezmenená až do 450°C. Povrch vlákna je chránený pred oxidáciou ochrannými povlakmi odolnými voči kyslíku vyrobenými zo žiaruvzdorných zlúčenín alebo tepelne odolných spojív; Najpoužívanejšie sú pyrolytické povlaky.

Obrázok 17.11 - Závislosť koeficientu teplotnej lineárnej rozťažnosti

pozdĺž vlákna pre uhlíkové vlákna s modulom pružnosti 380 (1)

a 280 GPa (2) od teploty..

Chemické vlastnosti . Uhlíkové vlákna sa od ostatných plnív líšia svojou chemickou inertnosťou. Chemická odolnosť uhlíkových vlákien závisí od konečnej teploty spracovania, štruktúry a povrchu vlákna a od typu a čistoty suroviny. Po vystavení vysokomodulových vlákien získaných z vlákna PAN agresívnym kvapalinám počas 257 dní pri izbovej teplote sa pozoruje badateľný pokles pevnosti v ťahu len pri pôsobení kyseliny ortofosforečnej, dusičnej a sírovej (tabuľka 17.3).

Tabuľka 17.3 - Chemická odolnosť vysokomodulových uhľovodíkov na báze PAN v agresívnom prostredí (doba expozície 257 dní).

Modul pružnosti vzoriek sa mení iba pod vplyvom 50% roztoku kyseliny dusičnej. Pevnosť alkalického skleneného vlákna po 240 hodinovom vystavení v 5 % roztokoch kyseliny sírovej alebo dusičnej klesá o 41 a 39 %. S rastúcou teplotou klesá odolnosť uhlíkových vlákien voči agresívnemu prostrediu.

Zvlášť ľahko oxiduje v roztokoch kyseliny dusičnej. Roztok hydrochloridu sodného oxiduje uhlík, v dôsledku čoho sa zmenšuje priemer vlákna a jeho mechanické vlastnosti sa dokonca o niečo zlepšujú.

Podľa stupňa aktivity vo vzťahu k vysokomodulovému uhlíkovému vláknu získanému z vlákna PAN možno kyseliny zoradiť do nasledujúcich sérií: HNO 3 > H 2 S0 4 > H 3 P0 4 > HC1. Kyselina octová a mravčia a roztoky zásad akejkoľvek koncentrácie a pri akejkoľvek teplote neničia uhlíkové vlákna. Chemická odolnosť uhlíkových vlákien zabezpečuje stabilitu vlastností kompozitných materiálov na nich založených.

Vady a mokvanie. Pyrolýza organických vlákien je sprevádzaná zvýšením ich pórovitosti. Vysokomodulové uhlíkové vlákna majú predĺžené póry a od nízkomodulových uhlíkových vlákien sa líšia orientáciou drážok a trhlín pozdĺž osi vlákna a ich nižšou koncentráciou na povrchu. Zrejme pri ťahaní dochádza k vyhladzovaniu niektorých povrchových defektov, čo je obzvlášť účinné pri vysokoteplotnom spracovaní vlákien. Póry na povrchu uhlíkových vlákien majú rôzne veľkosti. Veľké póry s priemerom niekoľko stoviek angstrômov sú počas tvarovania kompozitného materiálu vyplnené spojivom a zvyšuje sa priľnavosť spojiva k plnivu. Väčšina pórov na povrchu vlákien má priemer niekoľko desiatok angstromov. Do takýchto malých dutín môžu prenikať len nízkomolekulárne zložky spojiva a na povrchu plniva dochádza k redistribúcii spojiva cez molekulové sito, čím sa mení jeho zloženie.

Zmáčavosť vlákien spojivami používanými na výrobu plastov s uhlíkovými vláknami má veľký vplyv na ich vlastnosti. Na rozdiel od sklenených vlákien je povrchová energia uhlíkových vlákien veľmi nízka, takže vlákna sú zle zmáčané spojivami a plasty vystužené uhlíkovými vláknami sa vyznačujú nízkou priľnavosťou medzi plnivom a spojivom. Sila priľnavosti vlákien k spojivu sa zvýši, ak sa na povrch vlákien najskôr nanesie tenká vrstva monoméru, ktorá dobre zmáča a vyplní všetky póry. V dôsledku polymerizácie monoméru je vlákno pokryté tenkou vrstvou polyméru - chráničom, ktorý „utesňuje“ jeho povrchové chyby. Potom sa plnivo spojí s vybraným spojivom, výrobok sa vylisuje a plast sa vytvrdí podľa štandardného režimu.

V súčasnosti bolo navrhnutých niekoľko ďalších metód na zvýšenie priľnavosti uhlíkových vlákien k spojivu, ktorých účinnosť sa hodnotí zvýšením pevnosti kompozitného materiálu v šmyku:

Odstránenie mazacieho filmu z povrchu uhlíkových vlákien po spracovaní textilu;

Leptanie povrchu uhlíkových vlákien oxidačnými činidlami;

Konečná úprava uhlíkových vlákien;

Rastúce fúzovité kryštály s vysokou šmykovou odolnosťou na povrchu vlákien (vorserizácia alebo viscerácia).

V niektorých prípadoch sa postupne používa niekoľko metód spracovania.

Uctievanie uhlíkových vlákien s vysokým modulom je najradikálnejšou metódou zvýšenia pevnosti v šmyku plastov vystužených uhlíkovými vláknami. Úmerne k objemovému obsahu fúzov na vlákne sa zvyšuje nielen pevnosť v šmyku, ale aj pevnosť v tlaku a ohybe v priečnom smere v dôsledku dodatočného spevnenia matrice kryštálmi s vysokými mechanickými vlastnosťami (napríklad pevnosť ? -SiC fúzy je 7-20 GPa pri module pružnosti asi 50 GPa). Pri vysokom obsahu fúzov na vlákne (viac ako 4-7%) sa zhoršujú pevnosť a elastické vlastnosti plastu. V niektorých prípadoch je pokles pevnosti plastu spojený so stratou pevnosti uhlíkových vlákien počas verserizácie. Tabuľka 17.4 ukazuje, ako vlastnosti plastov vystužených uhlíkovými vláknami závisia od spôsobu prípravy povrchu uhlíkových vlákien.

Tabuľka 17.4 - Vplyv rôznych typov prípravy povrchu vysokomodulového vlákna na vlastnosti jednosmerného plastu vystuženého epoxidovými uhlíkovými vláknami.

Schopnosť uhlíkových vlákien obsahujúcich rovnaké množstvo uhlíka (najmenej 99 % hm.) vorserizácie z plynnej fázy sa zvyšuje so znížením ich odolnosti voči oxidácii, ktorá je úmerná koncentrácii povrchových defektov.

Fyzikálne vlastnosti uhlíkové vlákna závisia od ich pozadia (podmienky karbonizácie a grafitizácie) a niektorých ukazovateľov od charakteru a kvality surovín. Mnohé z vlastností uhlíkových vlákien sú určené konečnou teplotou spracovania, ale môžu k tomu významne prispieť aj iné faktory. V tabuľke 17.5 sú uvedené najtypickejšie fyzikálne vlastnosti uhlíkové vlákna.

Uhlíkové vlákno- materiál pozostávajúci z tenkých nití s ​​priemerom 3 až 15 mikrónov, tvorený prevažne atómami uhlíka. Atómy uhlíka sú usporiadané do mikroskopických kryštálov zarovnaných navzájom rovnobežne. Zarovnanie kryštálov dáva vláknu väčšiu pevnosť v ťahu. Uhlíkové vlákna sa vyznačujú vysokou pevnosťou v ťahu, nízkou špecifickou hmotnosťou, nízkym koeficientom tepelnej rozťažnosti a chemickou inertnosťou.

Výrobu uhlíkových vlákien v Rusku vykonáva spoločnosť Composite-Fiber LLC, súčasť holdingu Composite.

Základom výroby je uhlíkové vlákno (alebo uhlíkové plasty z „uhlík“, „uhlík“ - uhlík). Plasty vystužené uhlíkovými vláknami sú polymérne kompozitné materiály vyrobené z prepletených prameňov uhlíkových vlákien umiestnených v matrici polymérnych (zvyčajne epoxidových) živíc.

Uhlíkové kompozitné materiály sa vyznačujú vysokou pevnosťou, tuhosťou a nízkou hmotnosťou, často pevnejšie ako oceľ, no oveľa ľahšie.

Výroba polymérnych materiálov

Naša ponuka

Výroba polymérnych materiálov si vyžaduje značné skúsenosti. Na dosiahnutie akceptovaných štandardov kvality sú potrební nielen kvalifikovaní zamestnanci, ale aj dobre zavedená technológia výroby produktov. Z týchto dôvodov sú všetky prezentované vysoko kvalitné, zaručujú dosiahnutie svojich cieľov a majú pravidelné pozitívne hodnotenia.

V katalógu si môžete vybrať produkty pre tieto oblasti:

  • mechanické inžinierstvo;
  • kozmický a letecký priemysel;
  • veterná energia;
  • stavebníctvo;
  • Športové vybavenie;
  • Bežný spotrebný tovar

Je naša výroba produktov z polymérnych materiálov vám môže poskytnúť množstvo produktov, ktoré potrebujete. Neexistujú žiadne obmedzenia objemu objednávky. Zároveň sa môžete spoľahnúť na plnú konzultáciu od profesionálov a promptné splnenie zadaných úloh. Výroba polymérnych materiálov v Rusku, ktorú realizujeme, umožňuje nákup potrebných katalógových položiek prostredníctvom veľkoobchodného systému. Prezrite si náš katalóg a ak máte stále nejaké otázky, neodkladajte ich na neskôr a kontaktujte našu službu podpory hneď teraz.

Prečo je cena uhlíkových vlákien taká vysoká?

Vysoká spotreba energie je hlavným dôvodom vysokých nákladov na uhlíkové vlákna. To je však viac než kompenzované pôsobivým výsledkom. Ani sa mi nechce veriť, že to všetko začalo „mäkkým a nadýchaným“ materiálom obsiahnutým v dosť prozaických veciach a známym nielen zamestnancom chemických laboratórií. Biele vlákna - takzvané kopolyméry polyakrylonitrilu - majú široké využitie v textilnom priemysle. Sú súčasťou šatových, oblekových a úpletových látok, kobercov, plachiet, poťahových a filtračných materiálov. Inými slovami, kopolyméry polyakrylonitrilu sú prítomné všade tam, kde je na sprievodnom štítku uvedené akrylové vlákno. Niektoré z nich „slúžia“ ako plasty. Najbežnejším z nich je ABS plast. Ukazuje sa teda, že uhlík má veľa „bratrancov“. Uhlíková niť má pôsobivú pevnosť v ťahu, ale jej schopnosť „zasiahnuť“ pri ohýbaní je znížená. Preto je pre rovnakú pevnosť výrobkov vhodnejšie použiť tkaninu. Vlákna usporiadané v určitom poradí si navzájom „pomáhajú“ vyrovnať sa so záťažou. chýba táto výhoda. Zadaním rôznych orientácií vrstiev je však možné dosiahnuť požadovanú pevnosť v požadovanom smere, výrazne ušetriť na hmote dielca a zbytočne nespevniť nedôležité miesta.

Čo je uhlíková tkanina?

Na výrobu karbónových dielov sa používa ako jednoduché karbónové vlákno s náhodne umiestnenými závitmi, ktoré vypĺňajú celý objem materiálu, tak aj tkanina (Carbon Fabric). Existujú desiatky druhov tkania. Najbežnejšie sú Plain, Twill, Satin. Niekedy je tkanie podmienené - stuha pozdĺžne umiestnených vlákien sa „chytí“ riedkymi priečnymi stehmi, aby sa nerozpadla. Hustota tkaniny, alebo merná hmotnosť, vyjadrená v g/m2, závisí okrem typu tkania aj od hrúbky vlákna, ktorá je určená počtom uhlíkových vlákien. Táto charakteristika je násobkom tisícky. Takže skratka 1K znamená tisíc vlákien vo vlákne. Najčastejšie používané látky v motoristickom športe a tuningu sú plátno a keprová väzba s hustotou 150–600 g/m2, s hrúbkami vlákien 1K, 2,5K, 3K, 6K, 12K a 24K. Tkanina 12K sa tiež široko používa vo vojenských výrobkoch (trupy a hlavy balistických rakiet, listy rotorov vrtuľníkov a ponoriek atď.), To znamená, že časti sú vystavené obrovskému zaťaženiu.

Existuje farebný uhlík? Je tam žltý uhlík?

Od výrobcov tuningových dielov a v dôsledku toho aj od zákazníkov môžete často počuť o „striebornom“ alebo „farebnom“ karbóne. "Strieborná" alebo "hliníková" farba je len náter alebo kovový povlak na sklených vláknach. A je nevhodné nazývať takýto materiál uhlíkom – ide o sklolaminát. Je potešiteľné, že v tejto oblasti sa stále objavujú nové nápady, ale vlastnosti skla sa nedajú porovnávať s uhlíkovým uhlím. Farebné látky sa najčastejšie vyrábajú z kevlaru. Aj keď niektorí výrobcovia používajú sklolaminát aj tu; Existujú dokonca farbené viskóza a polyetylén. Pri pokuse o úsporu peňazí výmenou kevlaru za spomínané polymérové ​​nite sa priľnavosť takéhoto produktu k živiciam zhoršuje. O trvanlivosti výrobkov s takýmito látkami nemôže byť ani reči. Všimnite si, že Kevlar, Nomex a Tvaron sú patentované americké značky polymérov. ich vedecké meno„aramidy“. Ide o príbuzných siloniek a siloniek. Rusko má svoje vlastné analógy - SVM, Rusar, Terlon SB a Armos. Ako sa však často stáva, najviac „propagovaný“ názov - „Kevlar“ - sa stal domácim názvom pre všetky materiály.

Čo je Kevlar a aké sú jeho vlastnosti?

Z hľadiska hmotnosti, pevnosti a teplotných vlastností je Kevlar horší ako uhlíkové vlákna. Kevlarova schopnosť odolávať ohybovým zaťaženiam je výrazne vyššia. Práve preto sa spája vznik hybridných tkanín, v ktorých sú uhlík a kevlar obsiahnuté približne rovnako. Diely s uhlíkovo-aramidovými vláknami vnímajú elastickú deformáciu lepšie ako karbónové produkty. Majú však aj nevýhody. Karbón-kevlarový kompozit je menej odolný. Okrem toho je ťažší a „bojí sa“ vody. Aramidové vlákna majú tendenciu absorbovať vlhkosť, čo ovplyvňuje ich samotné aj väčšinu živíc. Nejde len o to, že „epoxid“ sa postupne ničí vodno-soľným roztokom na chemickej úrovni. Kúrením a chladením a celkovo mrazom v zime voda mechanicky uvoľňuje materiál dielu zvnútra. A ešte dva komentáre. Kevlar pri vystavení ultrafialovému svetlu degraduje a formovaný materiál v živici stráca niektoré zo svojich úžasných vlastností. Vysoká odolnosť proti roztrhnutiu a prerezaniu sa vyznačuje kevlarovou tkaninou iba v „suchej“ forme. Preto aramidy vykazujú svoje najlepšie vlastnosti v iných oblastiach. Rohože ušité z niekoľkých vrstiev takýchto materiálov sú hlavným komponentom na výrobu ľahkej nepriestrelnej vesty a ďalšieho bezpečnostného vybavenia. Kevlarové nite sa používajú na tkanie tenkých a pevných lodných lán, výrobu kordov v pneumatikách a ich použitie v hnacích remeňoch strojov a bezpečnostných pásoch v autách.

Je možné pokryť časť uhlíkovými vláknami?

Neodolateľná túžba mať vo svojom aute čierno-čierne alebo čierno-farebné kockované diely viedla k objaveniu sa nezvyčajných náhrad z uhlíkových vlákien. Tuningové dielne pokrývajú drevené a plastové vnútorné panely uhlíkovou tkaninou a plnia ich nespočetnými vrstvami laku, medzi ktorými je brúsenie. Každá časť vyžaduje kilogramy materiálu a veľa pracovného času. Človek môže obdivovať tvrdú prácu majstrov, ale táto cesta nikam nevedie. „Šperky“ vyrobené touto technikou niekedy neodolajú teplotným zmenám. Postupom času sa objaví sieť trhlín a časti sa oddelia. Nové diely sa kvôli veľkej hrúbke lakovej vrstvy nerady zmestia na svoje pôvodné miesta.

Ako sa vyrábajú uhlíkové a/alebo kompozitné produkty?

Technológia ich výroby je založená na vlastnostiach použitých živíc. Existuje veľké množstvo zlúčenín, ako sa živice správne nazývajú. Polyesterové a epoxidové živice vytvrdzované za studena sú najbežnejšie medzi výrobcami súprav karosérií zo sklenených vlákien, ale nie sú schopné úplne odhaliť všetky výhody uhlíkových vlákien. Predovšetkým kvôli slabej sile týchto spojovacích zlúčenín. Ak k tomu pridáme slabú odolnosť voči zvýšeným teplotám a ultrafialovým lúčom, potom sú vyhliadky na používanie väčšiny bežných značiek veľmi pochybné. Karbónová kapota vyrobená z takýchto materiálov stihne za jeden horúci letný mesiac zožltnúť a stratiť svoj tvar. Mimochodom, „horúce“ živice nemajú radi ultrafialové žiarenie, preto by z bezpečnostných dôvodov mali byť diely potiahnuté aspoň priehľadným automobilovým lakom.

Zmesi vytvrdzujúce za studena.

„Studené“ technológie pre malosériovú výrobu nízko kritických dielov neumožňujú vývoj, pretože majú aj iné vážne nevýhody. Vákuové metódy výroby kompozitov (živica sa privádza do uzavretej matrice, z ktorej sa evakuuje vzduch) vyžadujú zdĺhavú prípravu zariadenia. Pridajme k tomu miešanie živicových zložiek, ktoré „zabíja“ veľa času, čo tiež neprispieva k produktivite. O ručnom lepení sa nemá zmysel vôbec baviť. Spôsob rozprašovania nasekaných vlákien do matrice neumožňuje použitie tkanín. V skutočnosti je všetko identické s výrobou sklolaminátu. Ide len o to, že namiesto skla sa používa uhlie. Dokonca aj najautomatizovanejší z procesov, ktorý umožňuje aj prácu s vysokoteplotnými živicami (metóda navíjania), je vhodný pre úzky zoznam dielov s uzavretým prierezom a vyžaduje veľmi drahé vybavenie.

Epoxidové živice vytvrdzované za tepla sú pevnejšie, čo umožňuje plne odhaliť vlastnosti. Pri niektorých „horúcich“ živiciach sa mechanizmus polymerizácie pri „izbovej“ teplote spúšťa veľmi pomaly. Na tom je založená takzvaná technológia prepreg, ktorá zahŕňa nanášanie hotovej živice na uhlíkové vlákno dlho pred procesom formovania. Pripravené materiály jednoducho čakajú v krídlach v skladoch.

V závislosti od značky živice trvá tekutý stav zvyčajne niekoľko hodín až niekoľko týždňov. Na predĺženie doby spracovateľnosti sa pripravené prepregy niekedy skladujú v chladničkách. Niektoré značky živíc „žijú“ roky v hotovej forme. Pred pridaním tvrdidla sa živice zahrejú na 50–60 C, potom sa po zmiešaní nanášajú na tkaninu pomocou špeciálneho zariadenia. Potom sa látka podloží plastovou fóliou, zroluje a ochladí na 20–25 C. V tejto forme bude materiál skladovaný veľmi dlho. Navyše ochladená živica schne a na povrchu látky sa stáva prakticky neviditeľnou. Priamo pri výrobe dielu sa zohriate spojivo stáva tekutým ako voda, vďaka čomu sa roztečie, vyplní celý objem pracovnej formy a urýchli sa proces polymerizácie.

Zmesi vytvrdzujúce za tepla.

Existuje veľké množstvo „horúcich“ zlúčenín, z ktorých každá má svoj vlastný teplotný a časový režim vytvrdzovania. Typicky, čím vyššia je hodnota teplomera požadovaná počas procesu formovania, tým je hotový výrobok pevnejší a odolnejší voči teplu. Na základe možností dostupného vybavenia a požadovaných vlastností konečného produktu môžete nielen vybrať vhodné živice, ale aj vyrobiť na objednávku. Niektorí domáci výrobcovia ponúkajú túto službu. Prirodzene, nie zadarmo.

Predimpregnované lamináty sú ideálne vhodné na výrobu uhlíka v autoklávoch. Pred naložením do pracovnej komory sa potrebné množstvo materiálu opatrne vloží do matrice a prikryje vákuovým vreckom na špeciálnych rozperách. Správne umiestnenie všetkých komponentov je veľmi dôležité, inak sa nevyhnete nechceným záhybom vytvoreným pod tlakom. Neskôr už nebude možné chybu opraviť. Ak by sa príprava uskutočnila s tekutým spojivom, stala by sa skutočným testom pre nervový systém pracovníkov s nejasnými vyhliadkami na úspech operácie.

Procesy prebiehajúce vo vnútri inštalácie sú jednoduché. Vysoká teplota roztaví spojivo a „zapne“ polymerizáciu, vákuové vrecko odstráni vzduch a prebytočnú živicu a vysoký krvný tlak v komore tlačí všetky vrstvy látky na matricu. A všetko sa deje súčasne.

Na jednej strane sú tu určité výhody. Sila je takmer maximálna; predmety najzložitejšieho tvaru sa vyrábajú v jednom „sedení“. Samotné matrice nie sú monumentálne, pretože tlak je rozložený rovnomerne vo všetkých smeroch a nenarúša geometriu zariadenia. Čo znamená rýchlu prípravu nových projektov. Na druhej strane zahriatie na niekoľko stoviek stupňov a tlak, niekedy dosahujúci 20 atm., robia z autoklávu veľmi drahú konštrukciu. V závislosti od jeho rozmerov sa ceny zariadení pohybujú od niekoľkých stoviek tisíc až po niekoľko miliónov dolárov. K tomu si pripočítajme nemilosrdnú spotrebu elektrickej energie a náročnosť výrobného cyklu. Výsledkom sú vysoké výrobné náklady. Existujú však drahšie a zložitejšie technológie, ktorých výsledky sú ešte pôsobivejšie. Kompozitné materiály uhlík-uhlík (CCM) v brzdových kotúčoch na autách Formuly 1 a v tryskách raketových motorov odolávajú enormnej záťaži pri prevádzkových teplotách dosahujúcich 3000 C. Tento typ uhlíka sa vyrába grafitizáciou termosetovej živice, ktorá je impregnovaná stlačeným uhlíkovým vláknom prázdna. Prevádzka je trochu podobná samotnej výrobe uhlíkových vlákien, len k nej dochádza pri tlaku 100 atmosfér. Áno, veľké športy a vojensko-kozmický sektor sú schopné konzumovať unikáty za premrštené ceny. Pre tuning a najmä pre sériovú výrobu je takýto pomer „cena-kvalita“ neprijateľný.

Ak sa nájde riešenie, vyzerá to tak jednoducho, že sa pýtate: „Čo vám bránilo myslieť na to skôr?“ Myšlienka oddeliť procesy prebiehajúce v autokláve však vznikla po rokoch výskumu. Takto sa objavila a začala naberať na intenzite technológia, vďaka ktorej bolo formovanie uhlíka za tepla podobné lisovaniu. Predimpregnovaný laminát sa pripravuje vo forme sendviča. Po nanesení živice je tkanina obojstranne pokrytá buď polyetylénom alebo tepelne odolnejšou fóliou. „Sendvič“ prechádza medzi dvoma hriadeľmi pritlačenými k sebe. Zároveň sa odstraňuje prebytočná živica a nežiaduci vzduch, podobne ako pri odstreďovaní bielizne v práčkach v 60. rokoch. Predimpregnovaný laminát je vtlačený do matrice razníkom, ktorý je upevnený závitovými spojmi. Ďalej sa celá konštrukcia umiestni do vykurovacej skrine.

Tuningové spoločnosti vyrábajú matrice z rovnakých uhlíkových vlákien a dokonca aj odolných značiek alabastru. Formy na opracovanie sadry sú však krátkodobé, ale sú celkom schopné vyrobiť niekoľko produktov. „Pokročilejšie“ matrice sú vyrobené z kovu a niekedy sú vybavené vstavanými vykurovacími prvkami. Sú optimálne pre sériovú výrobu. Mimochodom, metóda je vhodná aj pre niektoré časti uzavretého úseku. V tomto prípade zostane vo vnútri hotového výrobku ľahký penový razník. Krídlo Mitsubishi Evo je príkladom tohto druhu.

Mechanické sily vás nútia premýšľať o sile zariadenia a systém matrice-punč vyžaduje buď 3D modelovanie, alebo špičkového modelára. Ale stále je to stokrát lacnejšie ako autoklávová technológia.

Alexey Romanov redaktor časopisu "TUNING Cars"

Uhlíkové materiály a materiály z karbonizovaných vlákien. Konštrukčné uhlíkové tkaniny 3k, 6k, 12k, 24k, 48k, výroba a dodávka. Uhlíkové izolačné tkaniny. na tepelnú ochranu rôznych zariadení vrátane ochranných clon a závesov. Karbónové pásky vrátane fóliových uhlíkových pások. Uhlíkové opletené žiaruvzdorné šnúry. Uhlíkové vlákna, výroba a dodávka.

Všeobecné informácie o uhlíkových vláknach

Mnoho polymérových vlákien je vhodných na výrobu uhlíkových vlákien. Podniky skupiny IFI Technical Production používajú na výrobu uhlíkových vlákien polyakrylonitrilové (PAN) vlákno. V tejto časti stránky sa budeme zaoberať iba dvoma typmi uhlíkových vlákien a výrobkami z nich vyrobenými. Neberieme do úvahy grafitizované vlákna, pretože tieto produkty sú na našej webovej stránke uvedené v samostatnej sekcii.
A tak sa uhlíkové vlákna podľa fyzikálnych vlastností delia na vysokopevnostné uhlíkové (uhlíkové) vlákna a uhlíkové vlákna všeobecný účel(sýtené oxidom uhličitým).

Vo vzhľade sa tieto dva typy priadze navzájom veľmi líšia. Na fotografii vpravo pod číslom 1 je priadza vyrobená z vysokopevnostného uhlíkového vlákna 12k, teda priadze pozostávajúcej z 12 000 nekonečných vlákien. Číslovaná 2, karbonizovaná priadza na všeobecné použitie. Ide o točenú karbonizovanú niť z dvoch alebo viacerých vlákien s dĺžkou od 25 mm do 100 mm.

Je to uhlíková (karbonizovaná) priadza na všeobecné použitie, ktorá sa používa na výrobu upchávok uhlíkových upchávok.

Karbonizované uhlíkové vlákna

Karbonizované vlákno sa vyrába v dvoch hlavných fázach:

1. PAN vlákno je oxidované pri teplote +150°C ~ +300°C.

2. Oxidované vlákno PAN je karbonizované v dusíkovom prostredí pri teplote +1000°C ~ +1500°C

Karbonizované vlákno na všeobecné použitie sa používa hlavne na výrobu tepelne izolačných produktov a výrobkov, ako sú tkaniny, pásky a šnúry. Karbonizované tkaniny sa používajú na izoláciu pri vysokých teplotách. Je to vynikajúca tepelná ochrana v rôznych priemyselných aplikáciách. Karbonizovaná tkanina sa používa ako tlmiaci materiál alebo ako vinutie konštrukčných prvkov, potrubí atď. Karbonizovaná tkanina sa používa vo forme ochranných clon a závesov. Výrobky vyrobené z karbonizovaného vlákna sú prevádzkové pri teplotách od -100°C do +450°C.

Karbonizované tkaniny sú vynikajúcou modernou náhradou za tkaniny zo sklenených vlákien. Na rozdiel od výrobkov zo sklenených vlákien karbonizovaná tkanina nespôsobuje podráždenie sliznice, nevyvoláva svrbenie pokožky, karbonizovaná tkanina, šnúry, pásky sú pre človeka úplne neškodné. Obsah uhlíka v karbonizovaných vláknach je až 90%. Karbonizované vlákna majú dobrú chemickú odolnosť, sú funkčné takmer vo všetkých prostrediach, okrem vysoko koncentrovaných kyselín, vrátane: dusičnej (Nitric), ortofosforečnej (Ortofosforečná), sírovej (Sirfuric), sírovej (Sirfurous), chlorovodíkovej (Hydrochloric), šťaveľovej ( Oxalic) ) a v iných prostrediach, ktorých hodnota pH je menšia ako 2, t.j.

Uhlíkové uhlíkové vlákna

Na získanie vysokomodulového uhlíkového vlákna sa karbonizované vlákna podrobia tepelnému spracovaniu pri teplote okolo +2500°C. Uhlíkové vlákno sa používa na výrobu špeciálnej priadze so zvýšenou pevnosťou, ktorá sa používa na výrobu špeciálnych predmetov a výrobkov. Jednou z hlavných hodnôt charakterizujúcich uhlíkovú (uhlíkovú) priadzu je koeficient k, ktorý vyjadruje počet elementárnych súvislých vlákien v priadzi. 1k = 1000 vlákien. Najčastejšie sa používajú vlákna 1k, 3k, 6k, 12, 24k a 48k. Koeficient k sa používa len na označenie uhlíkových vlákien vlastnosti a charakteristiky karbonizovaných vlákien na všeobecné použitie sú opísané inými parametrami.

Jedným z hlavných produktov vyrobených z vysokomodulových uhlíkových vlákien je štruktúrna uhlíková tkanina. Uhlíkové (uhlíkové) tkaniny sa používajú na vystuženie kompozitných materiálov pri výrobe plastov vystužených uhlíkovými vláknami. Plasty s uhlíkovými vláknami na báze živíc a uhlíkovej tkaniny sú vysoko odolné voči korózii a rôznym druhom deformácií, čo umožňuje výrobu vysoko zložitých produktov s prakticky nulovým koeficientom lineárnej rozťažnosti. Plasty vystužené uhlíkovými vláknami znižujú hmotnosť konštrukcie v priemere o 30 %. Okrem toho je uhlíkové vlákno vodivý materiál.
Okrem tkanín sa z uhlíkových vlákien s vysokým modulom vyrábajú špeciálne pásky, šnúry, papier a ďalšie produkty pre mnohé odvetvia.

Karbonizovaná uhlíková tkanina RK-300

Karbonizovaná uhlíková tkanina RK-300 sa používa ako vysokoteplotná izolácia. Je to vynikajúca tepelná ochrana v rôznych priemyselných aplikáciách a môže sa použiť ako tlmiaci materiál alebo ako vinutie, ako aj vo forme ochranných clon a závesov.

Karbonizovaná tkanina RK-300 je modernou náhradou za sklolaminát a iné tepelnoizolačné tkaniny vrátane azbestu. Na rozdiel od sklolaminátu karbonizovaná látka nedráždi sliznice dýchacích ciest a nespôsobuje svrbenie pokožky. Karbonizovaná tkanina RK-300 je v porovnaní s azbestovou tkaninou pre človeka úplne bezpečná, navyše má vďaka svojim jedinečným vlastnostiam neporovnateľne dlhšiu životnosť, výbornú chemickú odolnosť a možnosť opakovaného použitia.

Možnosti:

Šírka čepele: 1000 mm

Hrúbka: 1,6 mm ~ 5,0 mm

Hustota: 520~560 g/m²

Väzba: hladká

Pozornosť: Vážení kolegovia, milí partneri! Všetky produkty a produkty z karbonizovaných uhlíkových vlákien môžu byť vyrobené z vysoko pevných a vysokomodulových uhlíkových vlákien. Na požiadanie je možné vyrobiť aj tepelnoizolačnú tkaninu RK-300 z vysokomodulového uhlíkového vlákna - tkaninu RK-300H. Parametre tkaniny z uhlíkových vlákien RK-300H. Šírka čepele: 1000mm~1500mm; Hrúbka: 1,0 mm ~ 6,0 mm; Hustota: g/m? v závislosti od hrúbky; Prevádzková teplota: -100°С +1200°С

Karbonizovaná uhlíková tkanina s jednostranným hliníkovým povlakom RK-300AF

Karbónová karbonizovaná tkanina RK-300AF je moderná, vysoko spoľahlivá priemyselná tepelná izolácia. Vynikajúca náhrada za sklolaminátové a azbestové tkaniny. Na rozdiel od sklolaminátových a azbestových tkanín je karbonizovaná látka úplne neškodná.

Jednostranná aplikácia hliníka na karbonizovanú tkaninu jej dodáva ešte lepšie tepelnoizolačné vlastnosti. Hliníková vrstva na tkanine je tepelná clona, ​​ktorá odráža vysokú teplotu, ak sa tkanina používa ako tepelná clona. Zároveň pri použití RK-300AF ako návinového tepelnoizolačného materiálu zabezpečuje hliníková vrstva udržiavanie stabilnej teploty vo vnútri izolovaného systému.

Možnosti:

Šírka čepele: 1000 mm

Hrúbka: 1,6 mm ~ 5,0 mm

Hustota: 520~560gsm?

Prevádzková teplota: -100°С +450°С

Väzba: hladká

Pozornosť: Textilné RK-300HAF

Karbonizovaná uhlíková páska

Tepelnoizolačné pásky z karbonizovaných uhlíkových vlákien sú výbornou, modernou náhradou azbestových pások a sklenených pások. Uhlíkové pásky výrazne prevyšujú azbestové pásky a pásky zo sklenených vlákien z hľadiska fyzikálnych a mechanických vlastností a majú tiež širší rozsah chemickej odolnosti. Karbonizované pásky sú navyše úplne bezpečné pre ľudí a šetrné k životnému prostrediu. Karbonizované pásky sa používajú na tepelnú izoláciu káblových žľabov, prvkov prístrojov a strojov, potrubí a iných systémov a zariadení pracujúcich pri teplotách do +450°C.

Vyrábame 2 typy karbonizovaných uhlíkových pások:

Páska RK-300T je karbonizovaná uhlíková páska bez povlaku.

Páska RK-300TAF je karbonizovaná uhlíková páska s tenkou hliníkovou vrstvou nanesenou na jednej strane.

Možnosti:

  • Šírka čepele: 5,0 mm ~ 1000 mm
  • Hrúbka: 1,6 mm ~ 5,0 mm
  • Hustota: 520~560gsm?
  • Prevádzková teplota: -100°С +450°С
  • Väzba: hladká

Stuhy RK-300THAF a RK-300TH vyrobené z vysoko pevných a vysokomodulových uhlíkových vlákien. Prevádzková teplota: -100°C +1200°C.

Uhlíková šnúra, pletená RK-300RS

Uhlíkové kordy sú vyrobené z karbonizovaných uhlíkových vlákien na všeobecné použitie a uhlíkových vlákien s vysokým modulom. Šnúry sa vyrábajú s kruhovým aj štvorcovým prierezom metódou tkania. Uhlíkové kordy môžu byť vyrobené pomocou metódy priechodného opletu, ako aj pomocou jednovrstvového alebo viacvrstvového opletenia jadra. Pri výrobe kordov na získanie požadovaných vlastností konečného produktu spolu s uhlíkovou priadzou možno použiť aj iné typy priadzí, vrátane keramickej, aramidovej a sklolaminátovej priadze.

Uhlíkové šnúry sa používajú ako ohňovzdorné, tepelne odolné a tepelne odolné tesnenia v mnohých priemyselných aplikáciách. Uhlíkové kordy výrazne prevyšujú podobné výrobky z iných typov vlákien takmer vo všetkých fyzikálnych, mechanických a technických ukazovateľoch, navyše kordy vyrobené z vysokomodulových uhlíkových vlákien sú úplne chemicky inertné, ich kyslý pH index je v rozmedzí 0; ~14, čo umožňuje ich použitie v prostrediach akýchkoľvek koncentrovaných kyselín a zásad.

Taktiež na rozdiel od sklenených vlákien, ktoré vylučujú jemný sklenený prach, ktorý dráždi sliznice očí, dutín, podnebia a spôsobuje svrbenie kože, uhlíkové šnúry sú úplne neškodné. Zaťaženie pri pretrhnutí uhlíkových kordov s vysokým modulom je zďaleka najlepšie.

Uhlíkové kordy slúžia aj ako základ pre výrobu upchávkových tesnení s jedinečnými vlastnosťami pre použitie takmer vo všetkých druhoch priemyslu.

Možnosti:

  • Pracovná teplota: +280°C~+1200°C
  • Veľkosti sekcií: O4 mm ~ O50,0 mm a 4,0 mm x 4,0 mm až 70,0 mm x 70,0 mm

Karbónové konštrukčné tkaniny

Štrukturálne uhlíkové tkaniny sú vyrobené z priadzí z uhlíkových vlákien s vysokým modulom. Pri výrobe uhlíkových konštrukčných tkanín sa používajú priadze s koeficientom 1k, 3k, 6k, 12, 24k a 48k, kde k je počet elementárnych súvislých vlákien v priadzi. 1k = 1000 vlákien.

Hlavnou oblasťou použitia vysokomodulových tkanín z uhlíkových vlákien je ako výstužná vrstva pri výrobe tepelne tieniacich, chemicky odolných kompozitných materiálov, ako aj plnív pri výrobe plastov s uhlíkovými vláknami.

Tkaniny z uhlíkových vlákien sa vyrábajú rôznymi druhmi tkania v závislosti od ich ďalšieho účelu použitia. Existujú tri hlavné typy tkania uhlíkových tkanín:

  • Najbežnejšia väzba je plátnová, popisuje sa takto: 1/1. Pri plátnovom tkaní je každá osnovná niť prepletená jedna po druhej útkovou niťou. Tento typ tkania poskytuje tkanine najlepšiu pevnosť.
  • Tkanina so saténovou väzbou. Tento spôsob tkania je opísaný nasledovne: 4/1, 5/1 - 1 útková niť prekrýva 4, 5 osnovných nití. Tkaniny vyrobené metódou saténovej väzby sú najmenej odolné, preto sú tieto tkaniny veľmi husté. Pretože sa osnovné a útkové nite pri saténovom tkaní len zriedka ohýbajú, povrch takýchto látok je rovný a hladký.
  • Spôsob tkania kepru alebo kepru. Tento typ tkania je opísaný nasledovne: 2/1, 2/2, 3/1, 3/2... - počet osnovných nití pokrytých počtom útkových nití. Keprové tkanie je vizuálne ľahko rozpoznateľné podľa šikmých pruhov na povrchu látky.

V tabuľke nižšie sú uvedené hlavné charakteristiky štandardných uhlíkových tkanín. Uhlíkové vlákno pre tieto tkaniny je odvodené z polyakrylonitrilových (PAN) vlákien.

Značka látky Obsah uhlíka Modul pružnosti E, GPa Predĺženie, % Lineárna hustota, g/1000m Hustota, g/cm?
RK-301 98,5 3800 210 1,5 100 1,76
RK-303 98,5 3900 215 1,6 187 1,76
RK-306 98,5 3600 206 1,5 360 1,76
RK-312 98,5 3400 209 1,6 729 1,76

E- Youngov modul alebo modul pružnosti - koeficient charakterizujúci odolnosť materiálu voči ťahu a tlaku pri elastickej deformácii. Pre názornosť dodávame, že modul pružnosti E pre oceľ je od 195 GPa do 205 GPa a pre sklolaminát od 95 GPa do 100 GPa. Modul pružnosti grafitizovaného uhlíkového vlákna je až 677 GPa, zatiaľ čo volfrámový drôt má koeficient E 420 GPa.

Parametre štandardných štruktúrnych tkanín z uhlíkových vlákien:

  • Šírka: 1000 mm ~ 2000 mm. Maximálna šírka na požiadanie je 2000 mm.
  • Hrúbka: 0,25 mm ~ 3,0 mm
  • Hustota: 100 g/m? ~ 640 g/m?
  • Šírka čepele: 1000 mm
  • Teplota: do +1200°C
  • Obsah uhlíka: >98,5 %

Je možné vyrábať tkaniny z uhlíkových vlákien s neštandardnými parametrami.

Dĺžka návinu na kotúč - na vyžiadanie. Látka je balená vo fóliových a kartónových krabiciach.

Značky uhlíkových tkanín a ich označenie

Všetky uhlíkové tkaniny vyrábané podnikmi holdingu IFI Technical Production majú v názve písmená RK, ktoré označujú ochrannú známku výrobcu RK™ a index 300. Napríklad uhlíková uhlíková konštrukčná tkanina vyrobená zo 6k priadze, teda z priadze s obsahom 6000 nekonečné vlákna, má označenie RK-306. Uhlíková tkanina vyrobená z 3k alebo 12k priadze, RK-303 a RK-312.

Žiadosť o dodávku uhlíkových tkanín

Drahí kolegovia! Uhlíkové tkaniny si môžete kúpiť akýmkoľvek spôsobom, ktorý vám vyhovuje. Ponúkame nasledovné možnosti:

  • Nákup produktov priamo z továrne v Číne. Uzatvoríte priamu zmluvu s továrňou a pracujete samostatne. K tomu je potrebné poslať žiadosť na nasledujúcu adresu: Táto e-mailová adresa je chránená pred spamovacími robotmi Pre jej zobrazenie musíte mať povolený JavaScript. Pošleme vám kontaktné údaje vrátane telefónneho čísla a e-mailovej adresy zamestnanec závodu zodpovedný za export.
  • Nákup produktov cez ruské zastúpenie holdingu IFI Technical Production, cez spoločnosť Rus-Kit. Transakcia sa uskutočňuje na základe zmluvy o dodávke uzavretej medzi vašou organizáciou a spoločnosťou Rus-Kit. V tomto prípade Rus-Kit preberá všetky otázky týkajúce sa organizácie dodávky a colného odbavenia tovaru. K tomu je potrebné zaslať aj žiadosť na e-mailovú adresu: Táto e-mailová adresa je chránená pred spamovacími robotmi, aby ste ju mohli vidieť

Vážení kolegovia, milí partneri!: Pre všetky otázky, ktoré vás zaujímajú, týkajúce sa uhlíkových tkanín, ako aj iných produktov z uhlíkových vlákien, nás prosím kontaktujte prostredníctvom e-mailu, ktorý je chránený pred spamovacími robotmi musí mať Javascript musí byť povolený Na vyžiadanie v angličtine resp čínsky, použite prosím e-mailovú adresu Táto e-mailová adresa je chránená pred spamovacími robotmi, ak ju chcete vidieť, musíte mať povolený JavaScript

Uhlíkové vlákno

Uhlíkové vlákno- materiál pozostávajúci z tenkých nití s ​​priemerom 3 až 15 mikrónov, tvorený prevažne atómami uhlíka. Atómy uhlíka sú usporiadané do mikroskopických kryštálov zarovnaných navzájom rovnobežne. Zarovnanie kryštálov dáva vláknu väčšiu pevnosť v ťahu. Uhlíkové vlákna sa vyznačujú vysokou pevnosťou v ťahu, nízkou špecifickou hmotnosťou, nízkym koeficientom tepelnej rozťažnosti a chemickou inertnosťou.

Príbeh

Prvýkrát bola výroba a použitie uhlíkových vlákien (CF) (presnejšie nití) navrhnutá a patentovaná slávnym americkým vynálezcom - Thomasom Edisonom - v roku 1880 ako žhaviace vlákna v elektrických lampách. Tieto vlákna boli získané pyrolýzou bavlnených alebo umelých vlákien a vyznačovali sa krehkosťou a vysokou pórovitosťou a následne boli nahradené volfrámovými vláknami. Počas nasledujúcich 20 rokov tiež navrhol výrobu uhlíkových a grafitových vlákien na báze rôznych prírodných vlákien.

Sekundárny záujem o uhlíkové vlákna sa objavil v polovici 20. storočia, keď sa hľadali materiály vhodné na použitie ako komponenty kompozitov na výrobu raketových motorov. Z hľadiska ich vlastností sa CF ukázalo ako jeden z najvhodnejších výstužných materiálov pre túto úlohu, pretože má vysokú tepelnú odolnosť, dobré tepelnoizolačné vlastnosti, odolnosť voči korózii voči plynným a kvapalným médiám, vysokú špecifickú pevnosť a tuhosť.

V roku 1958 boli v USA vyrobené CF na báze viskózových vlákien. Pri výrobe uhlíkových vlákien novej generácie bolo použité postupné vysokoteplotné spracovanie vlákien hydratovanej celulózy (HTC) (900 °C, 2500 °C), čím bolo možné dosiahnuť hodnoty pevnosti v ťahu 330-1030 MPa a modul pružnosti 40 GPa. O niečo neskôr (v roku 1960) bola navrhnutá technológia výroby krátkych monokryštalických vlákien („fúzov“) z grafitu s pevnosťou 20 GPa a modulom pružnosti 690 GPa. „Fúzy“ boli pestované v elektrickom oblúku pri teplote 3600 °C a tlaku 0,27 MPa (2,7 atm). Zlepšovaniu tejto technológie sa v priebehu rokov venovalo veľa času a pozornosti, no v súčasnosti sa používa len zriedka kvôli jej vysokým nákladom v porovnaní s inými metódami výroby uhlíkových vlákien.

Takmer súčasne sa v ZSSR a o niečo neskôr, v roku 1961, v Japonsku vyrábali uhlíkové vlákna na báze polyakrylonitrilových (PAN) vlákien. Charakteristiky prvých uhlíkových vlákien na báze PAN boli nízke, ale postupne sa technológia zlepšovala a do 10 rokov (do roku 1970) sa získali uhlíkové vlákna na báze PAN vlákien s pevnosťou v ťahu 2070 MPa a modulom pružnosti 480 GPa. Zároveň je možnosť výroby uhlíkových vlákien pomocou tejto technológie s ešte vyššou mechanické vlastnosti: modul pružnosti do 800 GPa a pevnosť v ťahu viac ako 3 GPa. Uhľovodíky na báze ropných smol boli získané v roku 1970 aj v Japonsku.

Potvrdenie

Ryža. 1. Štruktúry vznikajúce pri oxidácii vlákna PAN

CF sa zvyčajne vyrábajú tepelným spracovaním chemických alebo prírodných organických vlákien, ktoré zanechávajú vo vláknitom materiáli hlavne atómy uhlíka. Teplotné ošetrenie pozostáva z niekoľkých etáp. Prvým z nich je oxidácia pôvodného (polyakrylnitrilového, viskózového) vlákna na vzduchu pri teplote 250 °C počas 24 hodín. V dôsledku oxidácie sa vytvárajú rebríkové štruktúry znázornené na obr. 1. Po oxidácii nasleduje fáza karbonizácie - zahrievanie vlákna v dusíku alebo argóne pri teplotách od 800 do 1500 °C. V dôsledku karbonizácie vznikajú štruktúry podobné grafitu. Proces tepelného spracovania končí grafitizáciou pri teplote 1600-3000 °C, ktorá prebieha aj v inertnom prostredí. V dôsledku grafitizácie sa množstvo uhlíka vo vlákne zvýši na 99 %. Na výrobu uhlíkových vlákien možno okrem bežných organických vlákien (najčastejšie viskózy a polyakrylonitrilu) použiť špeciálne vlákna z fenolových živíc, lignínu, uhoľných a ropných dechtov.

Dodatočné spracovanie uhľovodíkov

Uhlíkové vlákna môžu byť vyrábané v rôznych formách: zošívané (strihané, krátke) nite, nekonečné nite, tkané a netkané materiály. Najbežnejším typom výrobkov sú kúdele, priadza, roving, netkané plátna. Výroba všetkých druhov textilných výrobkov prebieha konvenčnými technológiami, ako aj pre iné druhy vlákien. Typ textilného výrobku je určený zamýšľaným spôsobom použitia uhlíka v kompozitnom materiáli, rovnako ako spôsob výroby samotného kompozitu. Hlavné spôsoby výroby kompozitov vystužených uhlíkovými vláknami sú spoločné pre vláknité materiály: kladenie, vstrekovanie, pultrúzia a iné. V súčasnosti sa vyrába množstvo druhov uhlíkových materiálov a materiálov z uhlíkových vlákien, z ktorých hlavné sú uvedené nižšie.

  • Na báze viskózových nití a vlákien:
    • nite, pásky, tkaniny - Ural®;
    • netkaný materiál - Carbonopon®;
    • aktivované absorpčné tkaniny - Busofit®, SAUT-1S, AUT-M;
    • netkané materiály s aktivovaným sorbentom - Karbopon-Active®.
  • Na báze viskózových strižových vlákien:
    • vlákna a netkané materiály: karbonizované - Uglen® (technológia obnovená v Svetlogorsk PA "Khimvolokno") a grafitizované - Gralen®;
  • Na základe vlákien a prameňov PAN:
    • pásky a tkaniny - LU®, UKN®, Kulon®, Elur®, ITECWRAP®.
    • aktivované sorbentové vlákna a netkané materiály - Aktilen®, Likron®;
    • disperzný prášok z mletých vlákien - Vaulen®, OUT-MI (na lekárske účely).
  • Na základe vlákien PAN:
    • Vlákna a netkané materiály: karbonizované - Evlon® a grafitizované - Concor®.

HC sa vyrábajú aj v zahraničí: v USA - Thornel®, Celion®, Fortafil®; vo Veľkej Británii - Modmore®, Graphile®; v Japonsku - Toreyka®, Kureha-lon® atď.

Do roku 2007 sa uhlíkové vlákna vyrábali v SNŠ v dvoch podnikoch: Argon (Balakovo, Rusko) - výroba na báze PAN (polyakrylonitril) a RUE "Svetlogorsk PA Khimvolokno" - výroba na báze viskózy. Oba podniky majú svoje vlastné výrobné zariadenia na výrobu prekurzorov. Podnik v Bielorusku je najväčším svetovým výrobcom viskózových uhlíkových vlákien. Existujúce počas ZSSR v meste Brovary (neďaleko Kyjeva, Ukrajina), Záporožie (Ukrajina), Petrohrad (NPO Chimvolokno), Šuja (Rusko) boli stratené.

V súčasnosti v Rusku vyrábajú materiály z uhlíkových vlákien OJSC NPK Khimpromengineering (súčasť Rosatomu), FSUE NIIgrafit, NPC UVIKOM, LLC NII VSU INTER/TEK.

Vlastnosti

CF majú výnimočne vysokú tepelnú odolnosť: pri pôsobení tepla až do 1600-2000 °C v neprítomnosti kyslíka sa mechanické vlastnosti vlákna nemenia. To predurčuje možnosť využitia uhlíkových vlákien ako tepelných štítov a tepelne izolačného materiálu vo vysokoteplotnej technike. Na báze CF sa vyrábajú uhlíkovo-uhlíkové kompozity, ktoré sa vyznačujú vysokou ablatívnou odolnosťou. HC sú odolné voči agresívnym chemické prostredie pri zahrievaní v prítomnosti kyslíka však oxidujú. Ich maximálna prevádzková teplota na vzduchu je 300-350°C. Nanesenie tenkej vrstvy karbidov, najmä SiC alebo nitridu bóru na uhlíkové vlákno, môže túto nevýhodu výrazne eliminovať. Pre svoju vysokú chemickú odolnosť sa uhlíkové vlákna používajú na filtráciu agresívnych médií, čistenie plynov, výrobu ochranných oblekov a pod. Zmenou podmienok tepelného spracovania je možné získať uhlíkové vlákna s rôznymi elektrickými vlastnosťami (objemový elektrický odpor od 2 10 −3 až 10 6 ohm/cm) a použiť ich ako elektrické vykurovacie telesá na rôzne účely, na výrobu termočlánkov atď.

Aktiváciou uhľovodíkov vznikajú materiály s veľkým aktívnym povrchom (300-1500 m²/g), ktoré sú výbornými sorbentmi. Aplikácia katalyzátorov na vlákno umožňuje vytvárať katalytické systémy s rozvinutým povrchom.

Typicky majú uhlíkové vlákna pevnosť rádovo 0,5 až 1 GPa a modul 20 až 70 GPa, a vlákna podrobené orientačnému rozťahovaniu majú pevnosť 2,5 až 3,5 GPa a modul 200 až 450 GPa. Vďaka nízkej hustote (1,7-1,9 g/cm³) z hľadiska špecifickej hodnoty (pomer pevnosti a modulu k hustote) mechanických vlastností sú najlepšie CF lepšie ako všetky známe tepelne odolné vláknité materiály. Špecifická pevnosť CF je nižšia ako špecifická pevnosť sklenených vlákien a aramidových vlákien. Konštrukčné uhlíkové plasty sa vyrábajú na báze vysokopevnostných a vysokomodulových uhlíkových vlákien s použitím polymérnych spojív. Kompozitné materiály boli vyvinuté na báze uhlíkových a keramických spojív, uhlíkovej a uhlíkovej matrice, ako aj uhlíka a kovov, ktoré sú schopné odolávať silnejším teplotným vplyvom ako bežné plasty.

Aplikácia

CF sa používajú na vystuženie kompozitných, tepelne a chemicky odolných materiálov ako plnivá v rôznych typoch plastov vystužených uhlíkovými vláknami. Najpriestrannejším trhom pre uhľovodíky je v súčasnosti výroba primárnych a sekundárnych konštrukcií v lietadlách rôznych výrobcov, vrátane spoločností ako Boeing a Airbus (do 30 ton na výrobok). V dôsledku prudko zvýšeného dopytu v rokoch 2004-2006. Na trhu bol veľký nedostatok vlákniny, čo viedlo k jej prudkému zdražovaniu.

Elektródy, termočlánky, obrazovky absorbujúce elektromagnetické žiarenie a produkty pre elektrotechniku ​​a rádiotechniku ​​sú vyrobené z CFM. Na báze CF sa vyrábajú pevné a flexibilné elektrické ohrievače, vrátane takzvaných ohrievačov, ktoré sa stali populárnymi. „uhlíkové ohrievače“, vyhrievané oblečenie a obuv. Uhlíková plsť je jedinou možnou tepelnou izoláciou vo vákuových peciach pracujúcich pri teplotách 1100 °C a vyšších. Vďaka svojej chemickej inertnosti sa materiály z uhlíkových vlákien používajú ako filtračné vrstvy na čistenie agresívnych kvapalín a plynov od rozptýlených nečistôt, ako aj ako tesnenia a upchávky. Iónomeniče UVA a uhlíkových vlákien sa používajú na čistenie vzduchu, ako aj na spracovanie plynov a kvapalín, extrakciu cenných komponentov z nich a výrobu osobných ochranných prostriedkov dýchacích ciest. UVA (najmä aktylén) sa široko používa v medicíne na čistenie krvi a iných biologických tekutín. V špeciálnych obrúskoch na ošetrenie hnisavých rán, popálenín a diabetických vredov je nepostrádateľná látka AUT-M, vyvinutá začiatkom 80. rokov a testovaná počas bojových operácií v Afganistane. V súčasnosti sú široko používané uhlíkové sorbentové utierky Sorusal a Legius. Ako liek používa sa na otravu (kvôli vysokej schopnosti absorbovať jedy. Napríklad liek "Belosorb" alebo OUT-MI na báze sorbentu Svetlogorsk), ako nosiče liečivých a biologicky aktívnych látok. HC katalyzátory sa používajú pri vysokoteplotných procesoch anorganických a organická syntéza, ako aj na oxidáciu nečistôt obsiahnutých v plynoch (CO na CO 2, SO 2 na SO 3 atď.). Široko používaný pri výrobe častí tela v motoristickom športe, ako aj pri výrobe športového vybavenia (palice, veslá, lyže, časti bicyklov, topánky) atď.

Odkazy

  • S. Shimamura. Uhlíkové vlákna. M.: "Mir", 1987.
  • Konkin A. A., Uhlík a iné tepelne odolné vláknité materiály, M., 1974.
  • STO 73645443-03-2010 Systém vysokopevnostného vystuženia železobetónových konštrukcií ITECWRAP®/ITECRESIN®, E., 2011.

Pozri tiež

Poznámky

Vlákna
Prírodné (prírodné)
Zvieratá Vlna · Catgut · Mohér · Kašmír · Pavučina · Hodváb
Zeleninové
Súvisiace publikácie