ua: Что такое углеродные волокна и углепластики?

ua: В последнее время все чаще и чаще можно услышать названия "углеродные волокна" и "углепластики". Так что же это такое?

Углеродное волокно диаметром от 5 до 15 микрон изпользуеться для производства карбоновых нитей, образовано преимущественно атомами углерода. Атомы углерода объединены в микроскопические кристаллы, выровненные параллельно друг другу. Выравнивание кристаллов придает волокну большую прочность на растяжение. Углеродные волокна характеризуются высокой силой натяжения, низким удельным весом, низким коэффициентом температурного расширения и химической инертностью. Углеродные волокна — это органические материалы, подвергшиеся термическому воздействию при температурах 1000–3000°C и содержащие 92–99,99 % углерода. Эти волокна обычно получают термической обработкой химических или природных органических волокон, при которой в материале волокна остаются главным образом атомы углерода. Впервые получение и применение углеродных волокон было предложено и запатентовано известным американским изобретателей Томасом Алва Эдисоном в 1880 г. в качестве нитей накаливания в электрических лампах. Однако в полной мере интерес к углеродным волокнам проявился лишь в конце 1950-х годов. Они оказались наиболее подходящим армирующим материалом композитов для изготовления ракетных двигателей поскольку обладают высокой термостойкостью, хорошими теплоизоляционными свойствами, коррозионной стойкостью к воздействию газовых и жидких сред, высокими удельной прочностью, сопротивлением усталости и жесткостью. По сравнению с обычными конструкционными материалами, например, алюминием или сталью, композиты с углеродными волокнами обладают некоторыми весьма полезными свойствами:

Они имеют исключительно высокую термостойкость
— в инертных средах или в вакууме до 3000°С
(температура плавления стали 1500°С)
— на воздухе до 450°С
Удельное электрическое сопротивление можно задать:
— от 0,02 Ом*м*10-6 (сопротивление меди)
— до 1,0 Ом*м*109 (сопротивление полупроводника)
Углеродные волокона превосходят все известные жаростойкие волокнистые материалы и по таким характеристикам:
— большая активная поверхность до 2500 м2/гр (2 гр. имеют площадь футбольного поля!)
— невероятная прочность (3,6 Гн/м2) в 2 раза выше прочности стали (1,8 Гн/м2) и при этом в 4 миллиона раз легче стали (плотность 1,9 г/м3,а плотность стали 7,82 т/м3)
— прекрасные сорбционные свойства (1 гр. поглощает до 50 гр. нефтепродуктов)
Это предопределяет возможность применения углеродных волокон в качестве тепловых экранов и теплоизоляционного материала в высокотемпературной технике. Благодаря высокой химической стойкости углеродные волокона применяют для фильтрации агрессивных сред, очистки газов, изготовления защитных костюмов и др. и используют их в качестве разнообразных по назначению электронагревательных элементов, для изготовления термопар и др.
Электропроводность углеродных волокон позволяет бороться и с доставляющим немало хлопот статическим электричеством (не безвредным для здоровья человека): достаточно ввести в материал (ткань, бумагу) всего 0,02—1% углеродного волокна, чтобы электрические заряды полностью «стекали» с этого материала, как после обработки антистатиком.
Углеродные материалы имеют и медицинские области применения: живой организм их не отторгает. Поэтому если скрепить сломанную кость штифтом на основе углепластика, а поврежденное сухожилие заменить легкой и прочной углеродной лентой, то организм не воспримет этот материал как чужеродный.
Углеродные материалы, обладающие высокой адсорбционной активностью, с успехом применяют в виде повязок, тампонов и дренажей при лечении открытых ран и ожогов — в том числе и химических, для очистки крови и других биологических жидкостей, как лекарственное средство при отравлениях (благодаря их высокой способности сорбировать яды), как носители лекарственных и биологически активных веществ.
Углеродные волокна применяют для армирования композиционных, теплозащитных и химостойких углепластиков. Из модернезированных углеволокон изготовляют электроды, термопары, экраны, поглощающие электромагнитное излучение, изделия для электро- и радиотехники. На основе углеродных волокон получают жесткие и гибкие электронагреватели, обогреваемую одежду и обувь. Нетканые углеродные материалы служат высокотемпературной изоляцией технологических установок и трубопроводов. Благодаря химической инертности углеволокнистые материалы используют в качестве фильтрующих слоев для очистки агрессивных жидкостей и газов от дисперсных примесей, а также в качестве уплотнителей и сальниковых набивок. УВА и углеволокнистые ионообменники служат для очистки воздуха, а также технологических газов и жидкостей, выделения из последних ценных компонентов, изготовления средств индивидуальной защиты органов дыхания.

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

В настоящее время на основе вискозных нитей и волокон изготавливают: Нити, ленты, ткани, а также дисперсный порошок из размолотых волокон, нетканый материал, активированные сорбирующие ткани, активированные сорбирующие нетканые материалы. На основе вискозных штапельных волокон - волокна и нетканые материалы: карбонизованые и графитированые. На основе ПАН-нитей и жгутов - ленты и ткани, активированные сорбирующие волокна и нетканые материалы, дисперсный порошок из размолотых волокон для медицинских целей. На основе ПАН-волокон - волокна и нетканые материалы карбонизованные и графитированные.

Помимо высоких прочностных свойств и малого веса, углеродное волокно и композиты на его основе (углепластик) имеют черный цвет и хорошо проводят электричество, что определяет и ограничивает области, где применяется углепластик и углеродное волокно. Кроме того, углеродное волокно и углепластик имеют очень низкий, практически нулевой коэффициент линейного расширения, что делает углеродное волокно незаменимым в некоторых специальных областях применения. Производителям тканых материалов углеродное волокно поставляется в виде нитей, которые представляют собой группу элементарных углеродных волокон. Количество углеродного волокна в нити оценивается числом «К» — число тысяч элементарных углеродных волокон. Самое толкое и самое дорогое углеродное волокно — 1К, наиболее распространенное углеродное волокно 3К, существуют также нити из углеродного волокна с К = 6, 12, 24, 48. Основные области применения углепластиков: ракетостроение и авиастроения (самолетостроение, вертолетостроение, малая авиация) ,судостроение (военные корабли, спортивное судостроение) , автомобилестроение (спортивные автомобили, мотоциклы, тюнинг), средства спортинвентаря (велосипеды, теннисные ракетки, удочки), специальные изделия (лопасти ветряных электрогенераторов и т.п.