Что такое карбон? Получение углепластика
Правда, величие это недолговечно. Железобетон, самый популярный строительный материал XX века, увы, имеет короткий срок службы и 5 тысяч лет, как пирамиды Гизы, точно не выдержит. Однако способ продлить жизнь таким конструкциям существует. Московские ученые придумали прочную «одежду» для железобетона. Сейчас это последний писк в архитектурной моде. И не только.
Несмотря на то, что время Робина Гуда давно прошло, поклонников деревянного лука во всем мире еще не мало. Но профессиональные спортсмены выбирают современные технологии. Например, этот лук в два раза легче своего деревянного собрата, начальная скорость стрелы составляет 105 метров в секунду, прицельная дальность — 100 метров. Эти уникальные характеристики он получил благодаря материалу, из которого сделан — карбону.
Карбон или углепластик — этот материал хорошо известен не только в кругу спортсменов-лучников и охотников. Любой, кто хоть раз катался на современных горных лыжах, держал карбон в руках, ведь именно из него сделаны лыжные палки. Автолюбители грезят о капоте или бампере из карбона, велосипедисты все чаще отдают предпочтение карбоновой раме, а не алюминиевой. Даже у обычных бытовых предметов, вроде компьютерной клавиатуры или мышки, где суперсвойства ни к чему, дизайн бывает выполнен «под карбон». Однако есть целые отрасли промышленности, где как раз без суперсвойств этого материала уже не обойтись. Например, авиастроение.
« Здесь вы видите элемент крыла самолета, который полностью выполнен из углеродных материалов по новой технологии вакуумной инфузии. Основное отличие от алюминиевого традиционного крыла в том, что это изделие сделано полностью интегральным без применения каких-либо крепежных элементов и дополнительной сборки», — рассказывает Алексей Ульянов , заместитель начальника технологического департамента ЗАО «Аэрокомпозит».
— Сколько весит подобная деталь, выполненная из алюминия?
— Около 200 килограммов.
— Эта около 50 килограммов.
Несмотря на относительную легкость, этот фрагмент крыла может выдержать нагрузку почти в 2тысячи тонн. Кроме того, самолет с такими облегченными крыльями способен парить в воздухе подобно планеру, поэтому двигатели работают меньше, и это позволяет экономить в полете порядка 40 процентов топлива, а значит, и деньги пассажиров.
« Преимущество углеродных материалов в том, что конструктор может создать свойства конечного изделия по своему усмотрению, собирая различные компоненты, поэтому здесь применяются специальные материалы, рассчитанные под авиастроение, для которых перепады температур на земле и в воздухе не играют никакого значения», — поясняет Алексей Ульянов .
Углеродная ткань — вот как выглядит этот удивительный материал. Обратите внимание, будущий элемент крыла самолета выкраивается из него, словно рукав для какого-нибудь большого костюма. Правда, слоев у такого рукава будет гораздо больше. Например, в этой детали их восемьдесят два.
Каким же образом обычная с виду ткань превращается с столь прочную конструкцию, которая способна выдерживать многотонные нагрузки и такие удары? Все дело в инфузионной технологии. Нарезанная и уложенная в нужную форму ткань помещается в вакуумный модуль и затем отправляется в большую печь. Туда по специальным патрубкам подается другой важнейший компонент — смола, которая связывает все слои ткани между собой в один монолит. Мировые лидеры авиастроения, такие как Boeing и Airbus, тоже используют в своих самолетах углепластики, но технология, разработанная в московской лаборатории компании «Аэрокомпозит», им пока не по зубам. А через год-другой конкурентов в этой области у России может вообще не остаться.
« Мы заканчиваем строительство двух серийных заводов. Один завод будет изготавливать как раз по технологии, которую вы здесь видите, основные силовые элементы, кессоны крыла. Запускаем мы его через два месяца, начало опытной эксплуатации и первое опытное крыло ОАК и «Аэрокомпозит» выдаст в середине следующего года. Второй завод в городе Казани, который будет делать элементы механизации и рули направления высоты. Это завод, который мы делаем вместе с нашими австрийскими партнерами, компанией Fischer. Он будет работать как на российские программы, так и обширные экспортные программы по заказу компании Fischer», — сообщил Анатолий Гайданский , президент ЗАО «Аэрокомпозит».
Единственное, в чем проигрывают на этом карбоновом поле российские производители — качество самого углеродного волокна, поэтому авиастроителям пока приходится использовать импортное сырье. Впрочем, скоро все изменится. В столичном технопарке «Москва» над разработкой и созданием конкурентоспособных углеродных тканей работает целая команда из ученых, инженеров и испытателей. В правительстве Москвы давно поняли, что за такими инновациями будущее, и создали ученым максимально комфортные условия для работы.
« Вот это последние образцы углепластика, они прочнее стали в четыре раза, сейчас я это вам докажу на разрывной машине. Для этого закрепляем образец в клеммы и производим испытание. Ну вот, наш образец выдержал две тонны», — показывает Антон Евдокимов , инженер испытательной лаборатории.
— Что может создать подобную нагрузку?
— Подобные нагрузки могут создавать, например, два внедорожника, тянущие данный образец в разные стороны на первой передаче.
— Получается, что сталь такой нагрузки бы даже не выдержала?
— Нет, конечно. Она бы выдержала в четыре раза меньше нагрузку, сопоставимую где-то с 500-700 кг, не больше.
Самое удивительное, что этот прочнейший на разрыв материал делают из жидкости. Точнее, из полиакрилонитрила.
Полиакрилонитрильное волокно изготавливают экструзионным способом. Проще говоря, полимер продавливают через специальную фильеру. В этой насадке, на вид полностью однородной, на самом деле есть сотни тончайших отверстий диаметром всего в семьдесят микрон, это средняя толщина человеческого волоса. Как только ее опускают в воду и подают давление, приглядевшись, можно увидеть тонкие белесые ниточки, выходящие из фильеры непрерывным потоком.
Проходя через эти горячие ванны со специальным раствором, полимерное волокно утончается примерно в шесть раз, с семидесяти микрон до двенадцати. Но благодаря тому, что молекулы в них выстраиваются определенным образом, эта нить становится только прочнее. В результате после многочисленных операций с полиакрилонитрилом происходит удивительная метаморфоза, и жидкий полимер становится прочным волокном.
« Это еще не конечный продукт, а лишь сырье для получения углеродного волокна. Прежде чем получить углеродное волокно, вот это полиакрилонитрильное волокно должно пройти процесс высокотемпературной обработки, а так же окисления, графитизации, а так же карбонизации», — объясняет Элина Билевская , представитель компании «Композит».
Получив очередную опытную партию сырья, исследователи проводят тщательный анализ изготовленного материала, затем корректируют настройки оборудования и запускают процесс по новой. Как говорится, совершенству нет предела.
« Наша задача — получить более экологически чистое волокно и удешевить технологию его получения. Что нам, по сути, и удается. За последний год мы разработали примерно сто опытных образцов, которые были в дальнейшем переданы для переработки в углеродное волокно. Мы непрерывно проводим исследования формования нашего волокна, а так же непосредственно физико-механических свойств полученного волокна», — говорит Денис Фокин , инженер-исследователь.
Несколько наиболее удачных разработок, вышедших из стен этой лаборатории в технопарке «Москва», уже с успехом используются в строительстве. Например, углеволокно добавляют в строительные растворы типа газо- и пенобетона, значительно увеличивая их технические характеристики. А в Челябинске уже не на опытном, а в серийном производстве налажен выпуск специальных углеволоконных лент, которые используются в ремонте и усилении железобетонных конструкций. Но так ли хороша эта технология на практике как на словах? Сейчас и узнаем.
Проведем показательный эксперимент. Представим, что это два автомобильных моста. На самом деле — это самая обыкновенная деревянная линейка в 30 сантиметров. А рядом тоже деревянная линейка, но с одной стороны она армирована углеволокном. Итак, начнем эксперимент. Для начала мы испытаем наш деревянный мост. Он ломается на третьем кирпиче. Теперь проверим линейку с углеволокном. Раз кирпич, два, три, четыре — линейка не сломалась, сломались опоры моста. Теперь я убедился, что конструкция, усиленная углеволокном, намного прочнее.
Типовая московская многоэтажка. С виду дом в неплохом состоянии, в его внешнем облике нет никаких признаков серьезных разрушений. Однако они уже происходят. В подвале дома на несущих конструкциях появились трещины. Пока не большие, но уже очень опасные. Если внутрь попадет влага, металлическая арматура заржавеет, сам бетон начнет расширяться, коррозировать и перекрытие может обвалиться.
«Чтобы эти трещины не появлялись снова, а эта еще сильнее не раскрывалась, мы ее усиливаем. На аналогичном участке у нас сейчас производятся работы», — показывает инженер Алексей.
Вот как на самом деле можно спасти любую железобетонную конструкцию от разрушения и вредного воздействия внешней среды. Здесь, в подвале дома, по сути, выполняется тот же самый технологический процесс создания углепластика, который мы видели на производстве авиационных деталей. Только здесь связующая смола наносится прямо на бетон. Углеволоконная лента нужной ширины прикатывается к обработанной поверхности и сверху покрывается еще одним слоем эпоксида. Через несколько часов, когда смола затвердеет, все трещины на поверхности железобетонного перекрытия будут уже надежно защищены слоем карбона толщиной в три миллиметра.
« Очевидное преимущество данной технологии в том, что этот участок перекрытия бригада из трех человек выполнила за четыре часа. Если бы усиление производилось классическими методами, например, при помощи металлических рам, времени бы ушло порядка трех дней, а через пять лет в данном сыром подвале метал снова бы начал коррозировать, пришлось бы возвращаться и переделывать», — поясняет строитель Алексей.
Спектр применения этой технологии в строительстве огромен. Ремонт железобетонных перекрытий, усиление опор многочисленных мостов и эстакад. Поскольку углепластику не страшна водная среда, его можно использовать при возведении и технологическом обслуживании дамб и подземных коммуникаций. Однако пока не многие строительные компании готовы широко использовать этот материал. Все дело в том, что на применение углепластиков в России до сих пор полностью не разработаны ни ГОСТы, ни СНиПы. Даже в профильных строительных вузах студентов учат на традиционных материалах — дерево, кирпич, железобетон. Как только в системе образования и стандартизации устранят этот досадный пробел, у многих архитектурных творений прошлого наконец появится прочный, карбоновый шанс на вторую молодость.
Среди всевозможных пластиков и композитов, разработанных химиками-технологами, особое место в современном мире занимает карбон (углеволокно) - материал на основе тончайших углеродных нитей. Он на 75% легче железа и на 30% - алюминия, и при этом имеет прочность на разрыв в четыре раза выше, чем у лучших марок стали.
Сами по себе карбоновые нити довольно хрупкие, поэтому из них плетут гибкие и эластичные полотнища. При добавлении к ним связующих полимерных составов получают углепластики, которые совершили настоящий переворот в спорте, технике и многих других областях человеческой деятельности.
На дорогах, в небе и на море
Наиболее широко известная область применения карбона – это автомобилестроение. Вначале его выдающееся сочетание прочности и легкости заинтересовало конструкторов болидов Формулы-1, что позволило значительно снизить вес гоночных машин. Джон Бернард, инженер британского автомобильного производителя McLaren, впервые сделал элементы кузова из углеволокна в начале 1980-х гг. Это дало столь ощутимую прибавку в скорости, что сразу привело гоночную команду McLaren на призовые места.
Впрочем, право быть самым быстрым обходится весьма недешево из-за того, что все углепластиковые детали фактически изготавливаются вручную. Карбоновую ткань особого плетения выкладывают в литейные формы, затем соединяют полимерными составами. На заключительном этапе она подвергается обработке при высокой температуре и давлении. Поэтому долгое время карбоновые элементы кузова использовались только в суперкарах и моделях премиального класса. И лишь недавно анонсирован выпуск доступных широкой аудитории серийных моделей с углепластиковыми деталями. Так, в конструкции кузова нового BMW i3 будут широко представлены элементы из углеродного волокна. А в новой версии хэтчбека Volkswagen Golf GTI VII благодаря углепластиковым капоту и крыше удалось снизить вес машины сразу на 200 кг!
Еще более широкое применение материалы на основе карбона получили в авиастроении, где они начали теснить традиционные алюминий и титан. Первыми перспективы оценили авиаконструкторы, работающие в оборонной промышленности. Например, в новейших российских истребителях Су-47 и Т-50 используются углепластиковые компоненты крыла и фюзеляжа.
Все шире применяется карбон и в пассажирских самолетах, где он позволяет снизить расход топлива и повысить грузоподъемность. Так, в лайнере Boeing 787 Dreamliner не менее 50% элементов фюзеляжа изготовлены из композитных материалов на основе углерода, благодаря чему расход топлива снижен на 20%. С той же целью самый большой пассажирский авиалайнер Airbus А380 оснастили крыльями, которые на 40% состоят из углепластиков. А фюзеляж современного бизнес-джета Hawker 4000 почти целиком изготовлен из этого материала!
Не менее активно используется карбон и в кораблестроении. Причина популярности та же: уникальное соотношение прочности и веса, жизненно важное в суровых морских условиях. Кроме того, для корабелов ценны ударопрочность и коррозионная стойкость этого материала.
Как обычно, первыми начали применять углепластики в оборонной сфере. Из карбоновых композитов делают элементы корпусов подводных лодок, поскольку они серьезно снижают шум и обладают stealth-эффектом, делая судно «невидимым» для радаров противника. А в шведских корветах типа «Visbi» корпус и надстройки сделаны из карбоновых композитов по stealth-технологии. Используется многослойный материал с основой из ПВХ, которая покрыта тканью особого плетения из углеродных жгутов. Каждый такой жгут поглощает и рассеивает радиоволны от радаров, не давая обнаружить судно.
Для гражданских кораблей невидимость для радаров не нужна, а вот легкость, прочность и возможность изготавливать детали практически любой конфигурации оказались очень востребованными. Чаще всего карбон применяют при строительстве спортивных и прогулочных яхт, где важны скоростные характеристики.
Элементы будущего судна «лепятся» из углепластиковых холстов по компьютерной модели как из пластилина. Вначале делается полноразмерный макет палубы и корпуса из специального модельного пластика. Затем по этим лекалам вручную слоями выклеиваются полотнища карбоновой ткани, скрепляемой эпоксидными смолами. После просушки готовый корпус шлифуют, красят и покрывают лаком.
Впрочем, есть и более современные способы. Например, итальянская компания Lanulfi сумела почти полностью автоматизировать процесс. Крупные конструктивные элементы судна с помощью 3D моделирования разбивают на более мелкие, но идеально совпадающие части. По компьютерной модели с помощью станка с программным управлением выполняются основы, которые и служат матрицами для выклеивания углепластиковых деталей. Такой подход позволяет добиться максимальной точности, что очень важно для ходовых качеств спортивных яхт.
Карбон для каждого
Карбон начинает все шире применяться и в строительстве. Добавление углеродных волокон в состав бетона делает его гораздо более устойчивым к внешним воздействиям. Фактически получается сверхпрочный монолит с очень плотной поверхностью. Такая технология применяется в строительстве небоскребов и плотин, а также при обустройстве туннелей.
Стоит упомянуть и материалы для усиления, ремонта и реставрации железобетонных поверхностей - специальные холсты и пластины из карбоновой ткани (например, Mapewrap или Carboplate). Они позволяют полностью восстановить конструкцию, не прибегая к дорогостоящей и не всегда возможной перезаливке.
Для крупных девелоперов и частных застройщиков особо интересна такая инновация, как применение карбона в штукатурной системе утепления фасадов.
Справка
«Добавление в армирующий состав мельчайших карбоновых волокон диаметром менее 15 микрон приводит к очень важному результату – многократному увеличению ударопрочности фасада, – говорит Роман Рязанцев, проект-менеджер компании CAPAROL, эксперта в области защиты и теплоизоляции фасадов зданий. – В частности, карбоновая добавка в штукатурную систему CAPATECT Carbon (Caparol) позволяет фасаду без вреда переносить удары с энергией до 60 Джоулей – это в десять раз больше, чем способны выдерживать обычные варианты штукатурных фасадов».
Если владелец коттеджа решит использовать такую систему для внешней отделки своего жилища, то он не только сократит затраты на отопление и обеспечит благоприятный микроклимат в помещениях, но и защитит стены от любых механических воздействий. Крупный град разбивает виниловый сайдинг и оставляет вмятины на обычной песчаной штукатурке. Шквалистый ветер, несущий с собой мусор и ветки деревьев, также может повредить фасад. Но на отделке с добавлением карбоновых волокон не останется ни следа. Тем более не страшны ей такие бытовые воздействия, как удары мячом или шайбой в детских играх.
«Обычно для защиты цокольной части фасада от случайных повреждений используют облицовку камнем, например, керамогранитом, - отмечает Даниил Мазуров руководитель отдела оптовых продаж московской строительно-торговой компании «ПКК Интерстройтехнологии». – Но для отделки цокольной части жилого комплекса, который сейчас строится на юге Москвы, мы решили попробовать штукатурную систему с карбоном. В сравнительных испытаниях она показывала очень впечатляющие результаты».
Вадим Пащенко, руководитель направления WDVS Московского регионального отдела компании CAPAROL, называет еще одно ценное следствие применения в штукатурной системе армирующих компонентов с карбоновыми волокнами: фасад становится устойчив к температурным деформациям. Для архитекторов и владельцев частных домов это означает полную свободу в самовыражении – можно окрасить стены дома в любые самые тёмные и насыщенные цвета. С традиционной цементно-песчаной штукатуркой такие эксперименты могут закончиться печально. Темная поверхность стены слишком быстро нагревается под солнечными лучами, что приводит к образованию трещин на внешнем защитно-декоративном слое. Но для фасадной системы с карбоновыми волокнами подобной проблемы не существует.
Сейчас по всей Европе начинают появляться выделяющиеся на общем фоне частные коттеджи и коммерческие здания, школы и детские сады, которым карбон помог обрести выразительные и насыщенные цвета. По мере того как российские частные домовладельцы начинают экспериментировать с цветами фасадов, отходя от традиционных пастельных оттенков, эта инновационная технология становится востребована и в нашей стране.
Поколение Next
Без карбона ныне невозможно представить ни одну высокотехнологичную отрасль. Он становится все доступнее и для обычных людей. Сейчас мы можем приобрести углепластиковые лыжи, сноуборды, горные ботинки, спиннинги и велосипеды, шлемы и прочую спортивную экипировку.
Но на смену ему уже идет новое поколение материалов - углеродные нанотрубки, которые в десятки раз прочнее стали и обладают массой других ценнейших свойств.
Схематическое изображение нанотрубки
Так, канадский производитель одежды Garrison Bespoke разработал мужской костюм, который сделан из ткани на основе углеродных нанотрубок. Такая ткань останавливает пули до сорок пятого калибра и защищает от колющих ножевых ранений. Кроме того, она на 50% легче кевлара - синтетического материала, используемого для изготовления бронежилетов. Подобные костюмы наверняка войдут в моду среди бизнесменов и политиков.
К числу самых фантастических применений карбоновых нанотрубок относится космический лифт, который позволит доставлять на орбиту грузы без дорогих и опасных запусков ракет. Его основой должен стать сверхпрочный трос, протянутый от поверхности планеты к космической станции, находящейся на геостационарной орбите на высоте 35 тыс. км над Землей.
Эта идея была предложена еще великим русским ученым Константином Циолковским в 1895 году. Но до сих пор проект казался неосуществимым по техническим причинам, ведь не было известно материалов, из которых можно сделать настолько прочный трос. Однако открытие углеродных нанотрубок в начале 1990-х гг. заставило пересмотреть границы возможного. Сотканная из карбоновых нанотрубок нить миллиметровой толщины, способна выдержать нагрузку примерно 30 тонн. А значит, дешевые и безопасные путешествия на орбиту в кабине космического лифта из фантастического сюжета превращаются в практическую задачу для инженеров.
Углеродное волокно - материал, состоящий из тонких нитей диаметром от 3 до 15 микрон, образованных 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.
Производством углеродного волокна в России занимается компания ООО «Композит-Волокно», входящее в холдинг "Композит"
Углеродное волокно является основой для производства (или , карбонопластиков, от "carbon", "carbone" - углерод). Углепластики - полимерные композиционные материалы из переплетенных нитей углеродного волокна, расположенных в матрице из полимерных (чаще эпоксидных) смол.
Углеродные композиционные материалы отличаются высокой прочностью, жесткостью и малой массой, часто прочнее стали, но гораздо легче.
Производство полимерных материалов
Наше предложение
Производство полимерных материалов требует значительного опыта. Для достижения принятых стандартов качества необходимы не только квалифицированные сотрудники, но и налаженная технология изготовления изделий. По этим причинам все представленные имеют высокое качество, гарантируют достижение поставленных перед ними задач и обладают регулярными положительными отзывами.
В каталоге вы сможете подобрать изделия для таких сфер:
- машиностроение;
- космическая и авиационная промышленность;
- ветроэнергетика;
- строительство;
- спортивный инвентарь;
- товары народного потребления
Наше производство изделий из полимерных материалов может обеспечить вас тем количеством изделий, которое вам будет необходимо. Отсутствуют ограничения по объему заказа. При этом вы можете рассчитывать на полную консультацию от профессионалов и оперативное выполнение поставленных задач. Производство полимерных материалов в России, которое мы осуществляем, дает возможность приобретения необходимых единиц каталога по оптовой системе. Изучите наш каталог, а также, если у вас остались какие-либо вопросы - не откладывайте их на потом и обращайтесь прямо сейчас в нашу службу поддержки.
Почему цена на углеволокно так высока?
Большие затраты энергии - основная причина высокой себестоимости углеродного волокна. Впрочем, это с лихвой компенсируется впечатляющим результатом. Даже не верится, что все начиналось с «мягкого и пушистого» материала, содержащегося в довольно прозаических вещах и известных не только сотрудникам химических лабораторий. Белые волокна - так называемые сополимеры полиакрилонитрила - широко используются в текстильной промышленности. Они входят в состав плательных, костюмных и трикотажных тканей, ковров, брезента, обивочных и фильтрующих материалов. Иными словами, сополимеры полиакрилонитрила присутствуют везде, где на прилагающейся этикетке упомянуто акриловое волокно. Некоторые из них «несут службу» в качестве пластмасс. Наиболее распространенный среди таковых - АБС-пластик. Вот и получается, что «двоюродных родственников» у карбона полным-полно. Карбоновая нить имеет впечатляющие показатели по усилию на разрыв, но ее способность «держать удар» на изгиб «подкачала». Поэтому, для равной прочности изделий, предпочтительнее использовать ткань. Организованные в определенном порядке волокна «помогают» друг другу справиться с нагрузкой. лишены такого преимущества. Однако, задавая различную ориентацию слоев, можно добиться искомой прочности в нужном направлении, значительно сэкономить на массе детали и излишне не усиливать непринципиальные места.
Что такое карбоновая ткань?
Для изготовления карбоновых деталей применяется как просто углеродное волокно с хаотично расположенными и заполняющими весь объем материала нитями, так и ткань (Carbon Fabric). Существуют десятки видов плетений. Наиболее распространены Plain, Twill, Satin. Иногда плетение условно - лента из продольно расположенных волокон «прихвачена» редкими поперечными стежками только для того, чтобы не рассыпаться. Плотность ткани, или удельная масса, выраженная в г/м2, помимо типа плетения зависит от толщины волокна, которая определяется количеством угленитей. Данная характеристика кратна тысячи. Так, аббревиатура 1К означает тысячу нитей в волокне. Чаще всего в автоспорте и тюнинге применяются ткани плетения Plain и Twill плотностью 150–600 г/м2, с толщиной волокон 1K, 2.5K, 3К, 6K, 12K и 24К. Ткань 12К широко используется и в изделиях военного назначения (корпуса и головки баллистических ракет, лопасти винтов вертолетов и подводных лодок, и пр.), то есть там, где детали испытывают колоссальные нагрузки.
Бывает ли цветной карбон? Желтый карбон бывает?
Часто от производителей тюнинговых деталей и, как следствие, от заказчиков можно услышать про «серебристый» или «цветной» карбон. «Серебряный» или «алюминиевый» цвет - всего лишь краска или металлизированное покрытие на стеклоткани. И называть карбоном такой материал неуместно - это стеклопластик. Отрадно, что и в данной области продолжают появляться новые идеи, но по характеристикам стеклу с углем углеродным никак не сравниться. Цветные же ткани чаще всего выполнены из кевлара. Хотя некоторые производители и здесь применяют стекловолокно; встречается даже окрашенные вискоза и полиэтилен. При попытке сэкономить, заменив кевлар на упомянутые полимерные нити, ухудшается адгезия такого продукта со смолами. Ни о какой прочности изделий с такими тканями не может быть и речи. Отметим, что «Кевлар», «Номекс» и «Тварон» - патентованные американские марки полимеров. Их научное название «арамиды». Это родственники нейлонов и капронов. В России есть собственные аналоги - СВМ, «Русар», «Терлон» СБ и «Армос». Но, как часто бывает, наиболее «раскрученное» название - «Кевлар» - стало именем нарицательным для всех материалов.
Что такое кевлар и какие у него свойства?
По весовым, прочностным и температурным свойствам кевлар уступает углеволокну. Способность же кевлара воспринимать изгибающие нагрузки существенно выше. Именно с этим связано появление гибридных тканей, в которых карбон и кевлар содержатся примерно поровну. Детали с угольно-арамидными волокнами воспринимают упругую деформацию лучше, чем карбоновые изделия. Однако есть у них и минусы. Карбон-кевларовый композит менее прочен. Кроме того, он тяжелее и «боится» воды. Арамидные волокна склонны впитывать влагу, от которой страдают и они сами, и большинство смол. Дело не только в том, что «эпоксидка» постепенно разрушается водно-солевым раствором на химическом уровне. Нагреваясь и охлаждаясь, а зимой вообще замерзая, вода механически расшатывает материал детали изнутри. И еще два замечания. Кевлар разлагается под воздействием ультрафиолета, а формованный материал в смоле утрачивает часть своих замечательных качеств. Высокое сопротивление разрыву и порезам отличают кевларовую ткань только в «сухом» виде. Потому свои лучшие свойства арамиды проявляют в других областях. Маты, сшитые из нескольких слоев таких материалов, - основной компонент для производства легких бронежилетов и прочих средств безопасности. Из нитей кевлара плетут тонкие и прочные корабельные канаты, делают корд в шинах, используют в приводных ремнях механизмов и ремнях безопасности на автомобилях.
А можно обклеить деталь карбоном?
Непреодолимое желание иметь в своей машине детали в черно-черную или черно-цветную клетку привели к появлению диковинных суррогатов карбона. Тюнинговые салоны обклеивают деревянные и пластмассовые панели салонов углеродной тканью и заливают бесчисленными слоями лака, с промежуточной ошкуриванием. На каждую деталь уходят килограммы материалов и масса рабочего времени. Перед трудолюбием мастеров можно преклоняться, но такой путь никуда не ведет. Выполненные в подобной технике «украшения» порой не выдерживают температурных перепадов. Со временем появляется паутина трещин, детали расслаиваются. Новые же детали неохотно встают на штатные места из-за большой толщины лакового слоя.
Как производятся карбоновые и/или композитные изделия?
Технология производства настоящих основывается на особенностях применяемых смол. Компаундов, так правильно называют смолы, великое множество. Наиболее распространены среди изготовителей стеклопластиковых обвесов полиэфирная и эпоксидная смолы холодного отверждения, однако они не способны полностью выявить все преимущества углеволокна. Прежде всего, по причине слабой прочности этих связующих компаундов. Если же добавить к этому плохую стойкость к воздействию повышенных температур и ультрафиолетовых лучей, то перспектива применения большинства распространенных марок весьма сомнительна. Сделанный из таких материалов карбоновый капот в течение одного жаркого летнего месяца успеет пожелтеть и потерять форму. Кстати, ультрафиолет не любят и «горячие» смолы, поэтому, для сохранности, детали стоит покрывать хотя бы прозрачным автомобильным лаком.
Компаунды холодного твердения.
«Холодные» технологии мелкосерийного выпуска малоответственных деталей не позволяют развернуться, поскольку имеют и другие серьезные недостатки. Вакуумные способы изготовления композитов (смола подается в закрытую матрицу, из которой откачан воздух) требуют продолжительной подготовки оснастки. Добавим к этому и перемешивание компонентов смолы, «убивающее» массу времени, что тоже не способствует производительности. Говорить о ручной выклейке вообще не стоит. Метод же напыления рубленого волокна в матрицу не позволяет использовать ткани. Собственно, все идентично стеклопластиковому производству. Просто вместо стекла применяется уголь. Даже самый автоматизированный из процессов, который к тому же позволяет работать с высокотемпературными смолами (метод намотки), годится для узкого перечня деталей замкнутого сечения и требует очень дорогого оборудования.
Эпоксидные смолы горячего отверждения прочнее, что позволяет выявить качества в полной мере. У некоторых «горячих» смол механизм полимеризации при «комнатной» температуре запускается очень медленно. На чем, собственно, и основана так называемая технология препрегов, предполагающая нанесение готовой смолы на или углеволокно задолго до процесса формования. Приготовленные материалы просто ждут своего часа на складах.
В зависимости от марки смолы время жидкого состояния обычно длится от нескольких часов до нескольких недель. Для продления сроков жизнеспособности, приготовленные препреги, иногда хранят в холодильных камерах. Некоторые марки смол «живут» годами в готовом виде. Прежде чем добавить отвердитель, смолы разогревают до 50–60 C, после чего, перемешав, наносят посредством специального оборудования на ткань. Затем ткань прокладывают полиэтиленовой пленкой, сворачивают в рулоны и охлаждают до 20–25 C. В таком виде материал будет храниться очень долго. Причем остывшая смола высыхает и становится практически не заметной на поверхности ткани. Непосредственно при изготовлении детали нагретое связующее вещество становится жидким как вода, благодаря чему растекается, заполняя весь объем рабочей формы и процесс полимеризации ускоряется.
Компаунды горячего твердения.
«Горячих» компаундов великое множество, при этом у каждой собственные температурные и временные режимы отверждения. Обычно, чем выше требуемые показания термометра в процессе формовки, тем прочнее и устойчивее к нагреву готовое изделие. Исходя из возможностей имеющегося оборудования и требуемых характеристик конечного продукта, можно не только выбирать подходящие смолы, но делать их на заказ. Некоторые отечественные заводы-изготовители предлагают такую услугу. Естественно, не бесплатно.
Препреги как нельзя лучше подходят для производства карбона в автоклавах. Перед загрузкой в рабочую камеру нужное количество материала тщательно укладывается в матрице и накрывается вакуумным мешком на специальных распорках. Правильное расположение всех компонентов очень важно, иначе не избежать нежелательных складок, образующихся под давлением. Исправить ошибку впоследствии будет невозможно. Если бы подготовка велась с жидким связующим, то стала бы настоящим испытанием для нервной системы рабочих с неясными перспективами успеха операции.
Процессы, происходящие внутри установки, незатейливы. Высокая температура расплавляет связующее и «включает» полимеризацию, вакуумный мешок удаляет воздух и излишки смолы, а повышенное давление в камере прижимает все слои ткани к матрице. Причем происходит все одновременно.
С одной стороны, одни преимущества. Прочность такого практически максимальна, объекты самой затейливой формы делаются за один «присест». Сами матрицы не монументальны, поскольку давление распределено равномерно во всех направлениях и не нарушает геометрию оснастки. Что означает быструю подготовку новых проектов. С другой стороны, нагрев до нескольких сотен градусов и давление, порой доходящее до 20 атм., делают автоклав очень дорогостоящим сооружением. В зависимости от его габаритов цены на оборудование колеблются от нескольких сотен тысяч до нескольких миллионов долларов. Прибавим к этому нещадное потребление электроэнергии и трудоемкость производственного цикла. Результат - высокая себестоимость продукции. Есть, впрочем, технологии подороже и посложнее, чьи результаты впечатляют еще больше. Углерод-углеродные композиционные материалы (УУКМ) в тормозных дисках на болидах Формулы-1 и в соплах ракетных двигателей выдерживают чудовищные нагрузки при температурах эксплуатации, достигающих 3000 C. Эту разновидность карбона получают путем графитизации термореактивной смолы, которой пропитывают спрессованное углеродное волокно заготовки. Операция чем-то похожа на производство самого углеволокна, только происходит она при давлении 100 атмосфер. Да, большой спорт и военно-космическая сфера деятельности способны потреблять штучные вещи по «заоблачным» ценам. Для тюнинга и, тем более, для серийной продукции такое соотношение «цены-качества» неприемлемо.
Если решение найдено, оно выглядит настолько простым, что удивляешься: «Что же мешало додуматься раньше?». Тем не менее, идея разделить процессы, происходящие в автоклаве, возникла спустя годы поиска. Так появилась и стала набирать обороты технология, сделавшая горячее формование карбона похожим на штамповку. Препрег готовится в виде сэндвича. После нанесения смолы ткань с обеих сторон покрывается либо полиэтиленовой, либо более термостойкой пленкой. «Бутерброд» пропускается между двух валов, прижатых друг к другу. При этом лишняя смола и нежелательный воздух удаляются, примерно так же, как и при отжиме белья в стиральных машинах образца 1960-х годов. В матрицу препрег вдавливается пуансоном, который фиксируется резьбовыми соединениями. Далее вся конструкция помещается в термошкаф.
Тюнинговые фирмы изготавливают матрицы из того же карбона и даже прочных марок алебастра. Гипсовые рабочие формы, правда, недолговечны, но пара-тройка изделий им вполне по силам. Более «продвинутые» матрицы делаются из металла и иногда оснащаются встроенными нагревательными элементами. В серийном производстве они оптимальны. Кстати, метод подходит и для некоторых деталей замкнутого сечения. В этом случае легкий пуансон из вспененного материала остается внутри готового изделия. Антикрыло Mitsubishi Evo - пример такого рода.
Механические усилия заставляют думать о прочности оснастки, да и система матрица - пуансон требует либо 3D-моделирования, либо модельщика экстра-класса. Но это, все же, в сотни раз дешевле технологии с автоклавом.
Алексей Романов редактор журнала «ТЮНИНГ Автомобилей»
Метод получения многослойных изделий из препрегов:
Такой метод аналогичен формованию стеклопластиков с ручной выкладкой стекловолокнистых полуфабрикатов. Слоистый пластик в этом случае получают ручной выкладкой слоев препрега на основе углеродных волокон, а отверждение проводят методами горячего прессования, автоклавного формования, методом формования на поворотном столе и т. д.
Формование препрегов с использованием металлических штампов.
Этим методом прессуют уложенные вручную в металлическую форму пакеты однонаправленных или тканевых препрегов на основе углеродных волокон. Формование под давлением среди других методов переработки пластмасс имеет наиболее давнюю историю и широко применяется при переработке термореактивных смол. Для получения изделий из композиционных материалов на основе таких смол и углеродных волокон этот метод используется практически без изменений. Можно отметить его следующие характерные особенности:
1. В отличие от рассматриваемых далее методов литья изделий из термопластов этот метод из-за отсутствия необходимости перераспределения компонентов в объеме материала не требует высоких давлений при формовании изделий и, следовательно, позволяет использовать сравнительно недорогие металлические формы и оборудование для прессования.
2. Благодаря применению армирующих материалов из непрерывных волокон изделия имеют весьма высокие прочность и жесткость. Кроме того, устраняется возможность нарушения ориентации волокон вследствие перетекания связующего, как это имеет место при переработке листовых формовочных материалов, литье под давлением и использовании некоторых других методов.
3. Можно получать изделия с высокой точностью размеров.
4. В качестве полимерных матриц в углепластиках рассматриваемого типа обычно применяются связующие на основе эпоксидных смол, а также ненасыщенных полиэфирных смол, поливиниловых эфиров, полиимиды и другие типы полимеров.
Рассматриваемый метод обладает многими достоинствами, а его недостаток – низкая производительность, обусловленная многостадийно-егь процесса. Укажем последовательность операций для получения изделий из препрегов с использованием металлических штампов:
1. В зависимости от заданных свойств изделия выбирают схему ориентации волокон и в соответствии с этим делают раскрой препрега (ножницами или ножом) при комнатной температуре.
2. Нарезанные листы препрега определенной формы складывают в пакет; при прессовании изделий из однонаправленных препрегов для предотвращения нарушения расположения волокон пакет заворачивают в специальную тетроновую ткань.
3. Приготовленный пакет укладывают в металлическую форму.
4. При использовании связующих на основе эпоксидных смол пакет прогревают в течение 1-2 мин и лишь после этого начинают прессование. При отклонении от оптимального времени предварительной выдержки внутри формуемого изделия в процессе прессования возникают поры. Величина давления зависит от формы изделия: для плоских листов оно составляет приблизительно 1 МПа, а для изделий сложной конфигурации – до 5 – 10 МПа. Температура и время термообработки в каждом отдельном случае зависят от типа используемой полимерной системы и поэтому здесь не рассматриваются.
5. Форму раскрывают, извлекают из нее готовое изделие и отделывают его (зачищают).
После извлечения готового изделия из формы при необходимости можно провести дополнительное отверждение изделия в термокамере.
Автоклавное формование
Автоклавное формование. Препрег или многослойный пакет из пре-прега на основе углеродных волокон выкладывают на форму, вместе с ней помещают в вакуумный мешок и снижают в нем давление. Метод, при котором отверждение проводят, создавая градиент давления по отношению к атмосферному, называют формованием с помощью вакуумного мешка. Так как нередко избыточное внешнее давление создают с помощью автоклава, то этот метод также называют автоклавным формованием. Первоначально он использовался для склеивания деталей самолетов.
Процесс собственно автоклавного формования состоит из следующих основных этапов: 1) на форму накладывают необходимое число слоев препрега; 2) при повышенных давлении и температуре в автоклаве проводят отверждение; 3) осуществляют отделку (зачистку) от-вержденных изделий. Чаще всего при отверждении в автоклаве используют и вакуумный мешок. Рассмотренный метод формования является
периодическим; на свойства изделий решающее влияние оказывают технология выкладки препрега на форму, тип и свойства вакуумного мешка и т. д.
Можно отметить следующие характерные особенности метода автоклавного формования: 1) возможность получения изделий равномерной толщины; 2) возможность формования крупногабаритных изделий; 3) высокое качество поверхности изделий; 4) при использовании вакуумного мешка получаются высококачественные изделия с низкой пористостью.
Недостаток метода автоклавного формования заключается в том, что он довольно дорог, требует затрат ручного труда и поэтому малопригоден для массового производства изделий. Тем не менее он весьма эффективен для изготовления изделий из таких высококачественных и легких материалов, как углепластики. Перспектива снижения стоимости процесса (соответственно и изделий) связана с механизацией и автоматизацией ряда операций, сокращением благодаря этому трудовых затрат и подбором лучших материалов для вакуумных мешков. Исследуется возможность применения для этого метода термостойких и долговечных мешков из силиконового каучука, которые можно использовать многократно. В частности, важно выбирать температуру и давление с учетом характеристик процесса отверждения, так как эти параметры оказывают значительное влияние на свойства формуемого изделия.
Надо отметить пожароопасность использования вакуумных мешков в методе автоклавного формования. Некоторые примеры возгорания и взрывов при использовании этого метода приведены в работе. Поэтому необходимо применять инертную газовую среду (например, азот) и принимать другие меры безопасности при автоклавном формовании.
Метод намотки трубчатых изделий.
Метод намотки трубчатых изделий. Этот метод также называют методом поворотных столов. Он используется для формования удилищ, рукояток клюшек для игры в гольф и других изделий в виде трубок. Однонаправленный шш тканевый препрег наматывают на цилиндрическую оправку, находящуюся между двумя нагреваемыми столами. Намотку на оправку осуществляют путем относительного смещения столов.
Данный метод по сравнению с рассматриваемым ниже методом намотки нитями имеет следующие достоинства:
1. Оборудование весьма простое и недорогое.
2. Метод позволяет несложными приемами наматывать из препрегов трубчатые изделия, имеющие конусность; при намотке нитями изготовление таких изделий затруднено.
3. Благодаря применению препрегов относительное содержание компонентов в изделии весьма стабильно.
4. Производство не связано с использованием жидкого связующего, что улучшает условия труда.
5. Технологический процесс прост и достаточно производителен. Недостаток метода в том, что он не позволяет формовать крупногабаритные трубы большого диаметра.
Изготовление трубчатых изделий этим методом с использованием эпоксидных связующих, отверждающихся при температуре около 400 К, и однонаправленных препрегов на основе углеродных волокон включает следующие этапы: 1) препрег на основе углеродных волокон раскраивают на заготовки нужной формы; 2)
устанавливают на стол цилиндрическую оправку; 3) помещают препрег на основе углеродных волокон на стол; 4) вставляют препрег в зазор между столом и оправкой и, используя относительное движение столов, наматывают препрег на оправку; 5) намотанный препрег отверждают в термошкафу; 6) на специальной машине извлекают оправку из готовой трубки; 7) осуществляют
Метод намотки нитями.
Метод намотки нитями. Среди всевозможных методов формования углепластиков метод намотки позволяет получать изделия с наиболее высокими деформационно-прочностными характеристиками. Методы намотки делятся на так называемые “сухие” и “мокрые”. В первом случае для намотки используются препреги в виде нитей, жгутов или лент. Во втором – пропитка армирующих материалов связующим ведется непосредственно в процессе намотки; наибольшее распространение получил второй метод.
В последнее время разрабатывается оборудование, в котором вместо механических средств управления схемой ориентации волокон используются компьютерные системы. Это позволяет получать трубчатые изделия, имеющие изгибы и неправильную форму, а также изделия со сложной геометрией. Разрабатывается оборудование для намотки с применением гибкой технологии, когда армирующие волокнистые материалы можно укладывать на оправке в любом направлении.
Метод намотки из углеволокнистых материалов в целом аналогичен методам намотки изделий из стеклопластиков, которым посвящено значительное количество работ. Метод намотки изделий состоит из следующих основных этапов:
1. Подготовка исходных материалов: выбор подходящего типа углеродных армирующих материалов (нитей, жгутов) и установка их на шпулярник; выбор связующего с отвердителем и другими компонентами полимерной матрицы и заполнение ими пропиточной ванны.
2. Подготовка оправки: установка ее на намоточный станок, очистка поверхности оправки от загрязнений, пыли, частиц полимера, оставшихся от намотки предыдущего изделия, и покрытие оправки составом на основе фторполимеров или кремнийсодержащих соединений для улучшения последующего отделения изделия.
3. Намотка. В зависимости от заданной схемы армирования подбирают соотношение скорости вращения оправки и скорости перемещения траверсы, несущей шпулярник с нитями или жгутами; скорость намотки (движения нитей) обычно составляет 10-30 м/мин.
4. Отверждение. Его осуществляют в термокамере при соответствующей температуре (в случае эпоксидных смол при 395 или 450 К); время отверждения обычно составляет 1 – 2 ч; в процессе отверждения желательно продолжать вращение оправки.
5. Извлечение оправки из изделия, выполняемое с помощью специальной машины (кабестана).
6. Окончательная отделка изделия: зачистка и обработка его торцов и т. д.
При использовании метода намотки перед стадией отверждения иногда обматывают изделия тетроновой усадочной пленкой, которая способствует выдавливанию избытка связующего из материала в процессе
отверждения изделий, что приводит к повышению относительного содержания волокон и монолитности изделий.
При заданной схеме армирования коэффициент теплового расширения углепластика сильно зависит от угла намотки. Поэтому для облегчения снятия изделий с оправки необходимо при расчете схемы армирования (ориентации волокон) в изделиях, получаемых методом намотки, учитывать и этот фактор.
Для намотки изделий из углеродных волокон чаще применяются эпоксидные смолы, тогда как для намотки изделий из стеклопластиков – ненасыщенные полиэфирные смолы. Для получения теплостойких изделий используются полиимидные смолы.
Основные особенности методов намотки:
1. Возможность максимальной реализации высокой прочности и модуля упругости углеродных волокон и получения углепластиков с хорошими характеристиками.
2. Возможность автоматизации процесса намотки и, как следствие, получения изделий со стабильными свойствами.
3. Многообразие схем ориентации волокон при намотке позволяет выбирать оптимальную структуру материала в зависимости от требуемых свойств конечного изделия.
Метод намотки – один из наиболее прогрессивных и эффективных методов получения изделий из углепластиков.
Пултрузия.
Процесс получения однонаправленных профильных изделий. Основные стадии этого процесса, называемого также методом протяжки (или пултрузии): 1) пропитка связующим пучков волокон; 2) отжим избытка связующего; 3) придание материалу заданного сечения путем протягивания его через фильеру непрерывным или периодическим способом; 4) разрезка профильных изделий на элементы заданной длины. Такой процесс предельно прост, полностью автоматизирован и весьма перспективен для промышленного производства профильных изделий из армированных пластиков. Однако он имеет и недостатки, особенно сказывавшиеся в начальном периоде его разработки и освоения в промышленном
производстве:
1. Скорость процесса зависит от температуры и скорости отверждения связующего и обычно невелика для низкотеплостойких полиэфирных смол.
2. Трудно обеспечить строгое постоянство сечения изделий по длине, за исключением изделий со сравнительно простой формой сечения – круглой, квадратной, двутавровой и некоторых других.
3. Необходимо использовать для получения изделий только нити или жгуты.
В последнее время перечисленные выше недостатки процесса получения профильных изделий постепенно устраняются и применение его заметно расширяется. В качестве полимерных матриц используются композиции на основе поливиниловых эфиров и эпоксидных смол. В настоящее время фирмой Goldsworthy Eng разрабатывается технология формования профильных изделий с применением полисульфона, полиэфирсульфона, пластифицированного полиимида и т. д. Использование таких полимерных матриц
позволяет достигать скорости формования круглых стержней диаметром около 5 мм порядка 102 м/мин. Для получения профильных изделий со сложными схемами армирования начали использовать методы протяжки слоистых материалов на основе волокнистых матов или тканей. В настоящее время разрабатываются методы получения трубчатых изделий, сочетающие намотку спирального слоя и протяжку. В качестве примера применения материалов со сложной схемой армирования, полученных методом протяжки, можно назвать лопасти ветряных двигателей, имеющие сложный профиль поперечного сечения. Фирмой Goldsworthy Eng.B настоящее время разрабатывается оборудование для формования полуфабрикатов для листовых автомобильных рессор, имеющих криволинейную поверхность и переменное поперечное сечение.
Инжекционный метод.
Инжекционный метод получения изделий из углепластиков. Этот метод известен давно: впервые патенты на него появились около 30 лет назад. Изделия получают, предварительно помещая в форму армирующий материал и впрыскивая затем в нее связующее. Достоинства метода: 1) сравнительно низкая стоимость пресс-формы, инже-кционных устройств и вспомогательного оборудования; 2) пониженные энергозатраты; 3) возможность автоматизации процесса; 4) экологическая чистота, обусловленная тем, что связующее на всех этапах процесса находится в закрытом от окружающей среды объеме; 5) возможность мелко- и среднесерийного производства крупногабаритных изделий.
Примеры изделий из стеклопластиков, получаемых инжекционным методом, -маломерные суда, детали кузовов легковых автомобилей, крылья вентиляторов, баки для мусора, сантехнические изделия и др. Чаще всего этим методом получают изделия из гибридных пластиков на основе сочетания стекло- и углеродных волокон, реже – из углепластиков.
Обычно в качестве связующих используются композиции на основе ненасыщенных полиэфиров, хотя с успехом могут применяться и эпоксидные смолы, а также другие связующие с достаточно низкой вязкостью и высокой скоростью отверждения.
В качестве питателей инжекционных устройств могут служить резервуары, находящиеся под давлением, или насосы. Независимо от типа оборудования для инжекции связующее, содержащее отвердитель, смешивается со связующим, содержащим ускоритель отверждения, непосредственно перед операцией впрыска.
Так как давление впрыска сравнительно невелико (порядка 10 МПа), то конструкция пресс-форм достаточно проста. Важно выбрать правильное расположение отверстия для впрыска полимера в пресс-форму. В частности, если армирующий материал распределен равномерно в объеме сравнительно простой формы, то отверстие для впрыска помещают почти всегда в центральной части изделия.
Укажем последовательность операций при формовании изделий инжекционным методом с использованием связующих на основе ненасыщенных полиэфирных смол, отверждаемых при комнатной температуре:
1. Очистка пресс-формы и нанесение тонкого слоя антиадгезионного вещества, облегчающего отделение изделия от формы (смесь кремнийорганического воска и поливинилового спирта; неподвижную часть пресс-формы покрывают только кремнийорганическим воском).
2. Нанесение на поверхность пресс-формы слоя связующего для формования наружного покрытия изделия.
3. Введение в пресс-форму углеродных либо стеклянных волокон или других армирующих материалов, закладных элементов и т. д.
4. Смыкание пресс-формы с фиксацией ее частей относительно друг друга.
5. Впрыскивание внутрь сомкнутой пресс-формы связующего под давлением.
6. Отверждение изделий приблизительно в течение 15-30 мин.
7. Раскрытие пресс-формы.
8. Отделение изделия от пресс-формы с помощью сжатого воздуха.
9. Окончательная обработка изделия (обрезка кромок и литника, зачистка и т. д.).
Метод формования на матрице листовых формовочных материалов.
Метод формования на матрице листовых формовочных материалов. Прессование листовых формовочных материалов (ЗМС) на основе углеродных волокон проводят в основном так же, как прессование аналогичных материалов на основе стекловолокон. Во время прессования необходимо использовать высокое давление. С учетом площади проекции формуемых изделий оно должно составлять для изделий простой формы 3-5 МПа, а сложной – 15 МПа. В соответствии с этими требованиями необходимо конструировать пресс-форму и выбирать прессовое оборудование.
Прессы для листовых формовочных материалов должны удовлетворять следующим условиям:
1. В зависимости от площади проекции формуемых изделий и их конфигурации необходимо иметь возможность создать давление до 15 -20 МПа.
2. Требуется достаточная жесткость и высокая точность самого пресса, принимая во внимание объем, в котором создается давление. Необходимо, чтобы прессовое оборудование соответствовало первому разделу японского промышленного стандарта JIS В 6403.
3. Оператор должен иметь возможность регулировать скорость движения пуансона в интервале от одного до нескольких миллиметров в секунду.
4. Необходимо учитывать деформации, возникающие в элементах пресса при нагревании.
Металлические формы для переработки листовых формовочных материалов должны удовлетворять следующим требованиям:
1. Для изготовления форм нельзя использовать чугун, а необходимо применять кованую или легированную сталь. Поверхность форм следует хромировать.
2. Зазор между двумя половинами формы должен быть минимальным и в среднем по всему периметру формы не превышать 0,05 – 0,2 мм, с тем чтобы сохранялось заданное давление формования. Перемещение пуансона должно составлять 7-20 мм.
3. Жесткие направляющие в гулки должны обеспечивать точность смыкания формы и не допускать нарушения соосности при приложении давления и смятия торцов пресс-формы.
При переработке листовых формовочных материалов в изделия важным этапом является операция загрузки пакета в пресс-форму. Она оказывает большое влияние на прочность и внешний вид изделий. Последовательность основных стадий формования следующая:
1. Раскрой (разрезка) листового формовочного материала (при серийном производстве используют автоматическую режущую машину).
2. Пакетирование нарезанного листового формовочного материала в соответствии со схемой его размещения в форме.
4. Смыкание верхней и нижней частей пресс-формы.
5. Повышение давления и температуры (для связующих на основе ненасыщенных полиэфирных смол и поливиниловых эфиров температуpa составляет обычно 403 – 413 К; для улучшения внешнего вида изделий температура пресс-формы должна быть на 5 – 10 К выше). Время выдержки под давлением определяется конфигурацией изделия (главным образом его толщиной) и составляет несколько минут.
6. Разъем формы и извлечение из нее изделия.
7. Окончательная отделка (зачистка) готового изделия.
Метод не исключает возможности появления следующих дефектов: 1) складок или местных утолщений; 2) неравномерности распределения армирующих волокон (при толщине изделия менее 1 мм затрудняется перераспределение связующего в наполненной волокнами композиции, вследствие чего может возникать локальная неоднородность в структуре материала, что приводит к ухудшению внешнего вида изделия); 3) трещин, пор, вздутий и других дефектов. Методы устранения перечисленных дефектов здесь не рассматриваются.
Для повышения прочности и жесткости изделий стремятся применять листовые формовочные материалы с высоким содержанием армирующих волокон. Однако в этом случае ухудшаются реологические свойства композиции, на поверхности изделий могут появиться не защищенные связующим армирующие волокна и возникнуть другие осложнения.
Рецептура листовых формовочных материалов позволяет получать изделия сложной формы за весьма короткий цикл формования (3-5 мин). Поэтому эти материалы и метод их формования получили распространение в промышленном производстве серийных изделий. Прочность и жесткость изделий из листовых формовочных материалов несколько ниже, чем у изделий из других препрегов; для улучшения свойств изделий иногда используют сочетание листовых формовочных материалов и однонаправленных или тканевых препрегов.
Формование с помощью вспененного слоя.
Формование с помощью вспененного слоя. Этот метод называется также формованием с отжимом связующего. Процесс формования проводят следующим образом:
1. С двух сторон пенопласта с сообщающимися порами (например, пенополиуретана), пропитанного полимером, укладывают армирующие материалы в виде ткани, мата и т. д.
2. Пакет помещают в пресс-форму и под давлением выжимают связующее из пенопласта, которое проникает в находящиеся с двух сторон от него слои армирующих материалов.
3. Повышая температуру, отверждают пакет и получают изделие, содержащее в центре слой пенопласта.
Процесс имеет следующие достоинства:
1. Простота технологии, обусловленная использованием волокнистого армирующего материала в сухом виде.
2. В результате одной операции можно получать легкие трехслойные изделия (в виде сандвича), обладающие высокой жесткостью.
3. Метод не требует высоких давлений; обычно давление составляет 1 – 1,7 МПа, что снижает затраты на изготовление форм.
Следует отметить, что этот метод применим для получения изделий сравнительно простой формы. Метод разработан сравнительно недавно и для его дальнейшего распространения требуется решить ряд технических задач.
Термокомпрессионный метод формования. Этот метод называют также формованием полимеров в эластичной оснастке, формованием с термическим расширением и т. д., но устоявшегося названия он еще не имеет. Этот метод осваивается в настоящее время для получения изделий из наиболее прогрессивных материалов, какими являются, в частности, углепластики. Свое название метод получил благодаря тому, что в качестве материала матрицы используют силиконовый каучук и другие расширяющиеся при нагревании эластомеры, вследствие температурной деформации которых создается давление формования. Давлению вдоль оси балки противостоит опорная пластина; такой метод формования с использованием автоклава может быть рекомендован для получения изделий сложной формы, когда применение обычного вакуумного формования оказывается трудным или неэффективным.
Примером практического применения этого метода может служить изготовление некоторых деталей стратегических бомбардировщиков В-1 из выпускаемого в США материала марки “Сайн кабу супа”. Известно, что в Японии аналогичным методом получают основные элементы конструкций. В качестве эластомеров для изготовления матриц в США используются главным образом кремнийорганические кау-чуки марки Capcoast фирмы DAPC О. Фирмой Dow Corning выпускаются также силиконовые каучуки марки Silastic. В Японии им соответствует, например, каучук марки SH9556 RTV фирмы “Торэ Сирикон”.
Литье под давлением термопластов, наполненных углеродными волокнами.
Метод литья под давлением наряду с экструзией является наиболее распространенным промышленным методом получения изделий из полимерных материалов. Этот метод – один из самых эффективных для получения изделий сложной формы. При получении изделий из углепластиков методом литья под давлением необходимо иметь в виду следующее:
1. Промышленностью выпускаются различные марки литьевых термопластов, отличающиеся типом полимера, содержанием волокон, наличием различных добавок и т. д. Поэтому в зависимости от назначения изделий следует выбирать наиболее подходящую марку наполненного термопласта. На физические свойства изделий влияет степень ориентации волокон, которая, в частности, отражается на величине усадки. Так как различные фирмы-изготовители в своих каталогах приводят значения характеристик для образцов с различной степенью ориентации волокон, то при выборе соответствующей марки наполненного термопласта это обстоятельство также необходимо учитывать.
2. По сравнению со стекловолокнами углеродные волокна имеют меньший диаметр, высокий модуль упругости и малое удлинение; поэтому в процессе формования они легко ломаются. Необходимо использовать такие типы шнеков, которые не создавали бы при смешении значительного противодавления; большие давления возникают и в литнике, поэтому нежелательно использовать литники малого сечения,с тем чтобы предотвратить разрушение углеродных волокон в этой зоне.
3. При повторной переработке таких материалов длина волокон оказывается меньшей; поэтому интенсивность смешения желательно снижать примерно на 30% по сравнению с первоначальной.
4. Усадка при формовании зависит от типа полимерной матрицы, содержания и ориентации волокон и других факторов; влияние ориентации волокон на прочность и модуль упругости образцов.
5. Анизотропия физических свойств термопластов, наполненных углеродными волокнами, аналогична анизотропии свойств термопластов, содержащих стекловолокна. Сочетание стекловолокна со стеклоби-сером, дисперсными наполнителями неорганического и других типов приводит к ухудшению свойств композиционного материала; то же самое наблюдается и при литье под давлением термопластов, наполненных углеродными волокнами. Большое влияние на усадку, приводящую к искажению формы изделия, оказывает расположение литников: хороший эффект достигается при одновременном использовании нескольких литников.
6. Термопласты, армированные как углеродными, так и стеклянными волокнами, плохо поддаются сварке; прочность сварного соединения низка; поэтому желательно свести к минимуму размеры сварного шва и располагать литник вблизи зоны возможной сварки и не подвергать сварной шов действию нагрузок.
Наполненные углеродными волокнами изделия из термопластов по сравнению с ненаполненными имеют менее гладкую поверхность; для улучшения внешнего вида и уменьшения шероховатости поверхности необходимо повышать, насколько это возможно, температуру формы, а также увеличивать скорость процесса, сокращая время впрыска полимерной композиции в форму.
8. Из-за высокой электропроводности углеродных волокон необходимо по возможности быстрее удалять полимерную композицию из сопла, так как в противном случае это может стать причиной перегорания нагревателя сопла.
Штампование термопластов, армированных углеродными волокнами. В этом случае полуфабрикатом служат листовые термопластичные материалы, наполненные короткими или длинными волокнами. Изделия из них прессуют в металлической форме при температуре ниже точки плавления полимера. Этот метод аналогичен методу прессования листовых формовочных материалов, однако течение материала при переработке листовых наполненных термопластов существенно меньше. Он также близок к методу прессования между металлическими плитами. Метод штампования наполненных термопластов в известной мере сходен и с методом вакуумного формования, а также с другими методами, сочетающими давление и вакуум. Его отличительная особенность – необходимость создания более высоких давлений с использованием разъемной формы, состоящей из позитивной и негативной металлических матриц.
Главные условия штампования, взятые из работы.
1. Нагрев листов осуществляют горячим воздухом или инфракрасным излучением, с тем чтобы, температура поверхности была приблизительно на 20 – 40 К выше, чем температура плавления полимера; для сокращения времени термообработки лучше использовать инфракрасные источники тепла в сочетании с предварительным нагревом.
2. Температура металлической формы должна быть возможно более высокой, но ниже температуры плавления полимера; при этом хорошо используются реологические свойства и получается гладкая поверхность, но цикл формования увеличивается; для найлона 6 оптимальная температура формы составляет примерно 373 – 423 К.
3. Давление формования выбирается в зависимости от конфигурации изделия и температуры металлической формы – оптимальное давление 15 – 60 МПа; при формовании материалов, армированных непрерывными волокнами, необходимы еще более высокие давления.
4. Время охлаждения в закрытой форме зависит от толщины стенок изделий и от температуры металлической формы; обычно оно составляет 10 – 45 с, что несколько меньше, чем в случае переработки листовых формовочных материалов.
5. Если скорость смыкания формы слишком высока, то при использовании материалов на основе непрерывных волокон это может привести к их разрушению; при слишком медленном смыкании формы
вследствие течения полимерной матрицы могут образовываться складки.
6. Как и при литьевом формовании, необходимо предусматривать отвод газов из формы.
Другие методы формования изделий из композиционных материалов. К ним относятся формование методом REM центробежное формование, роторное формование и еще ряд методов. Однако в настоящее время в их числе нет методов, которые подходили бы именно для углепластиков.
3.3.2. Некоторые примеры технологий производства изделий из углепластиков
В научных статьях, патентах и других публикациях рассмотрены различные технологические решения, используемые на практике для получения из современных углепластиков спортивных изделий, деталей самолетов и т. д.
Клюшки для игры в гольф. При производстве клюшек для игры в гольф в основном применяют метод намотки нитями или метод поворотного стола.
Клюшки для игры в гольф должны обладать следующими свойствами: быть легкими, иметь достаточную жесткость при кручении и прочность при изгибе и т. д. На эти свойства решающее влияние оказывает ориентация волокон. Обычно для повышения жесткости при кручении угол намотки внутреннего слоя составляет ± (30 – 60°), а для регулирования жесткости при изгибе и получения достаточной прочности на изгиб внешний слой ориентируют под углом от 0 до ±10х к оси трубки. С точки зрения технологии формования клюшек для игры в гольф важно получать материал с низкой пористостью и регулярной структурой расположения волокон.
Удилища. Удилища так же, как и клюшки для игры в гольф, изготовляются из трубок, которые в этом случае должны быть тонкостенными. Волокна располагаются в основном параллельно оси изделия (т. е. под углом 0). Поэтому для их формования применяется главным образом метод поворотного стола. Удилища должны обладать определенными свойствами. Как и клюшки для игры в гольф, они должны быть легкими и, в зависимости от способа рыбной ловли и вида рыбы, иметь необходимые размеры (длину и толщину). Поэтому выпускаются самые разнообразные по размерам удилища. Для этого используются различные типы волокон (высокомодульные и высокопрочные углеродные волокна, борные волокна, волокна Кевлар и другие); при этом варьируются схемы ориентации и содержание волокон, тип полимерной матрицы и метод формования. Для повышения прочности часто дополнительно ориентируют волокна под углом 90 . Как и при производстве клюшек для игры в гольф, важно обеспечивать регулярность расположения волокон в структуре материала и низкую пористость связующего. Так как удилища представляют собой тонкостенные трубки, то при снятии их с оправки могут возникнуть искривления, и поэтому необходимо совершенствовать условия формования удилищ методом поворотного стола, дополняя его методом обмотки лентами, оптимизировать условия отверждения и т. д.
Теннисные ракетки. Для теннисных ракеток не только весовые характеристики материала являются определяющими. Постепенно все большее применение находят теннисные ракетки на основе углеродных волокон, обеспечивающие высокую скорость летящего мяча, а также обладающие хорошими демпфирующими свойствами. Методы их формования несколько сложнее, чем методы изготовления клюшек для игры в гольф и удилищ. Поэтому наряду с известными методами формования дрименяют их различные модификации. Естественно, что взамен деревянных ракеток изготовляют ракетки со средней плотностью, близкой к плотности древесины. Так как основной каркас ракетки является полым или заполненным пенопластом, то его вес не превышает веса рукоятки. Волокна в каркасе ракетки располагаются под углами 0 и 90° к криволинейной оси каркаса, но возможно также ориентирование волокон и под углом ± (20 – 60°).
Детали самолетов и космических аппаратов. С начала 1970-х годов углепластики все чаще стали применять в авиации в качестве конструкционных материалов для изготовления самолетов. В дальнейшем, в основном под эгидой НАСА, проводилась разработка разнообразных панельных элементов из углепластиков для гражданских самолетов и накапливался соответствующий практический опыт их использования в авиастроении. Разработка самолета типа “Боинг 767” началась в 1978 г., а в 1982 г. в его конструкции уже использовались детали из углепластиков. В сентябре 1982 г. состоялся первый полет этого самолета. Для изготовления различных панельных элементов самолета использовалось около 1 т углепластиков и других современных композиционных материалов. Авиапромышленностью США сейчас разрабатывается самолет, в котором углепластики будут использованы для изготовления фюзеляжа, крыльев и хвостового оперения, приводных валов и других деталей, за исключением деталей двигателя. Благодаря снижению массы самолета при использовании углепластиков повышается его экономичность и снижается стоимость по сравнению с предыдущими моделями.
Вследствие роста потребности в углепластиках для авиастроения интенсивно разрабатываются технологические линии, сочетающие оборудование для автоматической выкладки волокон, автоматические устройства для раскроя полуфабрикатов, высокопроизводительные машины для намотки с повышенными скоростями, автоматические прессы и другое механизированное и автоматизированное оборудование, а также контрольные устройства.
Передовые отрасли промышленности и строительства за последнее время освоили немало принципиально новых технологий, большая часть которых связана с инновационными материалами. Обычный пользователь мог заметить проявление данного процесса на примере стройматериалов с включением композитов. Также в автомобилестроении внедряются карбоновые элементы, повышающие эксплуатационные качества спорткаров. И это далеко не все направления, в которых задействуются углепластики. Основой для данного компонента выступают углеродные волокна, фото которых представлено ниже. Собственно, в непревзойденных технико-физических качествах и заключается уникальность и активное распространение композитов нового поколения.
Технология получения
Для производства материала используют сырье в виде природных или органического происхождения. Далее, в результате специальной обработки, от исходной заготовки остаются только углеродные атомы. Главной воздействующей силой является температура. Технологический процесс предусматривает выполнение нескольких этапов термообработки. На первой стадии происходит окисление первичной структуры в условиях температурного режима до 250 °C. На следующем этапе получение углеродных волокон переходит в процедуру карбонизации, в результате которой материал нагревается в азотной среде при высоких температурах до 1500 °C. Таким образом формируется графитоподобная структура. Завершает весь процесс изготовления финальная обработка в виде графитизации при 3000 °C. На этой стадии содержание чистого углерода в волокнах достигает 99 %.
Где применяется волокно углеродное?
Если в первые годы популяризации материал использовался исключительно в узкоспециализированных областях, то сегодня наблюдается расширение производств, в которых задействуется данное химволокно. Материал довольно пластичен и разнороден в плане возможностей эксплуатации. С большой вероятностью области применения таких волокон будут расширяться, но уже сегодня оформились базовые типы представления материала на рынке. В частности, можно отметить строительную сферу, медицину, изготовление электротехники, бытовых приборов и т. д. Что касается специализированных областей, то использование углеродных волокон по-прежнему актуально для производителей авиатехники, медицинских электродов и
Формы изготовления
В первую очередь это термоустойчивые текстильные изделия, среди которых можно выделить ткани, нити, трикотаж, войлок и т. д. Более технологичным направлением является изготовление композитов. Пожалуй, это наиболее широкий сегмент, в котором представлено волокно углеродное как основа изделий для серийного производства. В частности, это подшипники, термоустойчивые узлы, детали и различные элементы, которые работают в условиях агрессивных сред. Преимущественно композиты ориентированы на рынок автомобилестроения, однако и строительная область довольно охотно рассматривает новые предложения от изготовителей данного химволокна.
Свойства материала
Специфика технологии получения материала наложила свой отпечаток на эксплуатационные качества волокон. В результате высокая термическая стойкость стала главной отличительной чертой структуры таких изделий. Кроме тепловых воздействий, материал устойчив и к химическим агрессивным средам. Правда, если в процессе окисления при нагревании присутствует кислород, это губительно сказывается на волокнах. Зато механическая прочность углеродного волокна может составить конкуренцию многим традиционным материалам, которые считаются твердотельными и стойкими к повреждениям. Это качество особенно выражено в карбоновых изделиях. Еще одним свойством, которое имеет спрос среди технологов различной продукции, является способность абсорбции. Благодаря активной поверхности данное волокно можно рассматривать в качестве эффективной каталитической системы.
Производители
Передовиками в сегменте являются американские, японские и немецкие компании. Российские технологии в этой области практически не развивались последние годы и по-прежнему базируются на разработках времен СССР. На сегодняшний день половина изготавливаемых в мире волокон приходится на долю японских компаний Mitsubishi, Kureha, Teijin и др. Другую часть делят между собой немцы и американцы. Так, со стороны США выступает компания Cytec, а в Германии волокно углеродное производит фирма SGL. Не так давно в список лидеров этого направления вошло и тайваньское предприятие Formosa Plastics. Что касается отечественного производства, то разработками композитов занимаются лишь две компании - «Аргон» и «Химволокно». При этом серьезные достижения за последние годы сделали белорусские и украинские предприниматели, осваивающие новые ниши для коммерческого использования углепластиков.
Будущее углеродных волокон
Поскольку некоторые виды углепластиков уже в ближайшее время позволят выпускать изделия, способные сохранять изначальную структуру миллионы лет, многие специалисты предсказывают перепроизводство подобной продукции. Несмотря на это, заинтересованные компании продолжают вести гонку технологических обновлений. И во многом это оправдано, так как свойства углеродных волокон на порядок превосходят аналогичные качества традиционных материалов. Достаточно вспомнить прочность и термостойкость. Исходя из этих достоинств разработчики и осваивают новые направления развития. Внедрение материала, скорее всего, будет охватывать не только специализированные сферы, но и близкие к массовому потребителю области. Например, обычные пластиковые, алюминиевые и деревянные элементы могут заменяться углепластиком, который по целому ряду эксплуатационных качеств будет превосходить привычные материалы.
Заключение
Широкому распространению инновационному химволокну мешают многие факторы. Одним из самых существенных является высокая стоимость. Поскольку волокно углеродное требует задействования высокотехнологичного оборудования для изготовления, его получение может себе позволить далеко не каждая компания. Но и это не самое главное. Дело в том, что далеко не во всех сферах производители заинтересованы в столь радикальных изменениях качества продукции. Так, повышая долговечность одного элемента инфраструктуры, производитель не всегда может выполнить аналогичную модернизацию на смежных компонентах. В итоге получается дисбаланс, который сводит к нулю все достижения новых технологий.
