Производители предлагают множество карбоновых приборов для обогрева. Внешний вид, мощность, стоимость и другие характеристики устройств могут легко запутать неискушенного покупателя.
Разобраться в том, как выбрать карбоновый обогреватель, максимально удовлетворяющий все потребности, несложно. Достаточно немного ближе познакомиться с этим типом приборов.
Конструкция карбонового нагревательного элемента
Желание потребителя купить прибор для обогрева, который бы не пересушивал воздух, хорошо согревал, использовал минимальное количество энергии – осуществимо. Эти требования способен выполнить карбоновый обогреватель. Основой прибора служит карбоновый нагревательный элемент.
Карбон – это углерод, из которого изготовлены нити, служащие основой обогревателя. Они закручены в спираль, помещенную в вакуумную трубку из закаленного стекла. Толщина спирали зависит от мощности прибора – чем выше мощность, тем плотнее и длиннее будет углеродная нить.
Этот тип нагревателя способен выдавать длину инфракрасных лучей 1800-2400 нанометров, обладая при этом отрицательным температурным коэффициентом. Это значит, что при увеличении температуры ему понадобится меньшее количество электроэнергии.
Спираль из карбона, заключенная в вакуумную трубку, при нагревании не перегорает. Это существенное преимущество перед вольфрамовыми нагревательными элементами. Такая особенность позволяет использовать нагреватель длительное время, придерживаясь правил эксплуатации прибора, содержащего углеродную нить.
Устройство и принцип работы карбонового прибора
Приборы, функционирующие благодаря нагреву карбоновой спирали, отличаются рабочими характеристиками, внешним видом, материалом изготовления. Общим является устройство приборов. Основа – трубка с углеродными нитями, закрученными в спираль. Это нагревательный элемент. В зависимости от мощности прибора и его модели таких трубок может быть 2, 3 и более.
Карбоновый нагреватель заключен в корпус с отражателем из анодированного алюминия. От внешнего мира, в целях безопасности, трубка ограждена решеткой. В зависимости от модели, прибор может обладать пультом управления, подставкой с функцией вращения, встроенным температурным датчиком, управление которым происходит посредством поворотного регулятора.
После включения устройства в сеть по углеродным нитям проходит электрический ток, нагревая их. Происходит длинноволновое инфракрасное излучение, свободно проникающее сквозь стекло. Вреда от него нет, ведь «carbone» — «углерод» по сути своей, тот же уголь.
Основная особенность излучаемого тепла в том, что оно нагревает предметы, находящиеся в поле действия. Воздух, контактирующий с прибором и предметами, начинает нагреваться уже от предметов, получивших свою порцию тепла.
Инфракрасные лучи, попадая на поверхность предметов и человеческого тела, прогревают на глубину до 2,5 см. Нагрев происходит с одной стороны – от обогревателя. Рабочая площадь зависит от мощности прибора. В среднем, 100 Вт способны распространять тепло на площадь, равную 1 м2. Но этот показатель во многом зависит от модели прибора – некоторые производители гарантируют при мощности 900 Вт площадь обогрева 20 м2.
Нагревательный элемент является самой надежной частью устройства. Прочные нити углерода, составляющие карбоновую спираль, могут работать 100 000 часов и более. Единственная проблема – вакуумная кварцевая трубка. Хотя используется закаленное стекло, риск его повреждения достаточно высок. Именно стекло считается самой уязвимой деталью прибора и основным недостатком.
С другой стороны, сплетение углеводородных нитей, надежно запаянное в вакуумной емкости, ограждено от внешнего воздействия – микрочастиц пыли, капелек воды, случайного попадания посторонних предметов.
Разновидности карбоновых нагревателей
Для инфракрасных карбоновых обогревателей характерны самые разные формы, габариты, вес, мощность и стоимость. Эти характеристики обусловлены особенностью конкретной модели. Основным критерием классификации карбоновых приборов можно назвать способ установки или монтажа. Все обогреватели этого типа можно поделить на такие группы:
- настенные;
- потолочные;
- напольные.
В отдельную группу можно выделить плоские устройства пленочного типа, также использующие в качестве нагревательного элемента карбон. Они могут монтироваться на стену, потолок или пол.
Каждая из этих групп говорит сама за себя – способ монтажа или установки у них кардинально отличается. От этого напрямую зависит их эффективность и места использования.
Обогреватели карбонового типа можно устанавливать в квартире, на даче, в частном доме, в автомобиле, на летних площадках кафе, в производственных помещениях с высокими потолками, в офисе. Если же располагать нагреватель на улице, то следует учитывать, что площадь нагрева в этом случае будет в 2-2,5 раза меньше, чем внутри здания.
Характеристика настенных приборов
Основное преимущество настенных моделей карбоновых обогревателей – экономия жилого пространства. Благодаря тому, что у нагревателя предусмотрены специальные крепления для монтажа на стену, его можно разместить даже в малогабаритной квартире без ущерба для жителей. Ведь, когда каждый сантиметр комнаты важен, то настенная конструкция будет самым разумным вариантом нагревательного прибора.
В устройстве настенного нагревателя нет никаких особенностей. Установить его можно своими силами, не прибегая к услугам специалистов. Крепления, предусмотренные производителем, надежные. Они способны выдержать прибор, имеющий столь незначительный вес – до 4 кг.
Стоимость настенной модели во многом зависит от известности производителя и его репутации на рынке. Также, на цену прямо влияет мощность прибора, гарантийный срок обслуживания, дополнительные функции и возможности, предусмотренные разработчиками устройства.
Для правильной установки настенного обогревателя нужно определить, какие предметы должны находиться в его рабочей зоне. Целесообразно монтировать прибор так, чтобы у него был максимальный угол обзора. Также, нужно иметь ввиду, что в случае выбора неудачного места, придется его перевешивать. Для таких моделей важно, чтобы был в комплекте пульт управления.
Основным недостатком настенных карбоновых устройств является сложность обслуживания. Так, чтобы вытереть пыль, нужно к нему еще добраться. Второе – это более высокая стоимость, сравнительно с напольными вариантами. Это обусловлено наличием обязательных функций по регулировке температурного режима и мощности работы прибора посредством пульта управления.
С другой стороны, место монтажа, находящееся выше головы, некоторые потребители считают одним из преимуществ. Именно настенные и потолочные модели весьма востребованы среди семей с детьми. Удобно, что прибор находится вне зоны доступа ребенка.
Потолочные карбоновые устройства
Карбоновые обогреватели можно устанавливать на потолок. Производители предлагают различные модели, которые можно смело интегрировать в любой интерьер без ущерба для него. Есть варианты, монтируемые в конструкцию подвесного потолка.
Перед установкой потолочных карбоновых нагревателей важно правильно рассчитать требуемую мощность и выбрать места их монтажа. Такие варианты чаще всего используют для обогрева производственных помещений с высокими потолками. Здесь подойдут модели большой мощности, имеющие не один нагревательный элемент.
Небольшие приборы 800-2500 Вт устанавливают в качестве дополнительного отопительного оборудования в загородных домах. Это очень удобно – буквально через 10 секунд после включения он начинает работать, согревая озябших гостей и предметы мебели, на которых они устроились.
При использовании потолочных обогревателей не стоит размещать слишком близко предметы, приборы, имеющие пластиковый корпус, ткани. Из-за чрезмерного нагревания пластика может появиться неприятный запах.
Потолочный прибор, оборудованный таймером и терморегулятором, способен поддерживать комфортный температурный режим, настроенный однажды пользователем. Также, существуют модели, умеющие запоминать несколько вариантов температурных режимов.
Карбоновые приборы не пересушивают воздух, ведь нагревательный элемент прямо не контактирует с воздухом. Поэтому в помещениях с такими обогревателями не придется беспокоиться о дополнительном увлажнении.
Особенности напольных обогревателей
Наиболее распространенные модели карбоновых обогревателей – напольные. Они бывают самых различных размеров и форм – все зависит от фантазии дизайнера. Основное их преимущество – мобильность и небольшой вес. Такой прибор можно погрузить в автомобиль и взять с собой на дачу.
Напольные нагреватели по внешнему виду разделяют на горизонтальные и вертикальные. В зависимости от их возможностей, выделяют стационарные устройства и поворотные. Угол поворота зависит от индивидуальных особенностей – от 90° до 180°. Эта особенность пришлась по душе большому числу покупателей. Также, особым спросом пользуются модели с дистанционным управлением, несмотря на более высокую стоимость.
Удобство использования напольных приборов говорит само за себя – поставил и можно включать. Нет необходимости в монтаже. Разнообразие форм позволяет подобрать для своего жилища оптимальный вариант, гармонично сочетающийся с интерьером. Также, карбоновый обогреватель создает особую уютную атмосферу в комнате, словно для нагревания использовался камин.
В целях безопасности карбоновые обогреватели напольного типа оснащаются функцией автоматического отключения. Она срабатывает при нагревании выше допустимой температуры или при опрокидывании прибора. Если хозяин случайно уронил работающий нагреватель, автоматическое реле выключит устройство.
Плоские или системы пленочного типа
Одной из разновидностей карбоновых обогревателей можно назвать устройства пленочного типа, работающие на основе карбоновых нитей, уложенных параллельно друг к другу. Осуществить монтаж таких пленок можно своими руками. Для этого потребуется тщательно рассчитать требуемую площадь нагрева, аккуратно нарезать пленку, не повредив при этом полоски с нагревательным элементом.
При монтаже важно, чтобы отрезки пленки не перекрывали друг друга. На места их расположения нельзя ставить мебель. Такая система утепления отлично справляется с функцией отопления лоджии или отдельного участка комнаты. КПД устройств достаточно высок – ведь генерируемое тепло не растрачивается впустую, оно направлено на предметы.
Устанавливать нагревательные карбоновые пленки можно на потолок, стену или пол. Производители предлагают усовершенствованные варианты устройств пленочного типа, оформленных в виде картин. На гипсокартонный каркас наносится декоративная отделка. Основное условие – не должно быть металлических деталей в таком оформлении.
Прибор с карбоновым нагревателем своими руками
Самодельное устройство, функционирующее по принципу карбоновой пленки, можно соорудить собственными силами из подручных материалов. Выполняя такую работу важно все заготовки хорошенько просушивать, проверять мощность, чтобы его безопасно было подключать в сеть и особое внимание уделить изоляции.
По утверждению самодельных мастеров, обогреватель, собранный своими руками не уступает в работе покупным аналогам. Для его изготовления понадобится эпоксидный клей, медные клеммы, провод с вилкой для подключения в сеть, графитовый порошок, 2 листа слоистого бумажного пластика.
Для получения графитового проводника предстоит смешать эпоксидный клей с графитовым порошком. Тщательно размешать смесь – именно она будет служить нагревательным элементом.
На подготовленный лист предстоит зигзагообразно нанести полученный проводник. Затем нужно клеем соединить между собой листы пластика, прикрепив к проводнику медные клеммы с разных сторон. Еще можно подключить терморегулятор, который поможет регулировать температурный режим после окончания сборки обогревателя.
Все тщательно скрепив, предстоит оставить заготовку для полного высыхания. Все контакты, провода и части, проводящие ток, следует качественно изолировать. После высыхания обязательно нужно измерить сопротивление устройства и рассчитать его мощность. Без этих испытаний категорически нельзя подключать прибор в сеть.
Карбоновый обогреватель: выбираем правильно
Карбоновый обогреватель является одним из безопасных устройств, способных на длительный срок службы. Конечно, при его правильном использовании. Он не сжигает кислород, не уменьшает уровень влажности в помещении, безопасен для детей, не выделяет никаких вредных газов, паров, ядовитых веществ.
Безопасность карбоновых нагревателей доказана их успешным использованием с начала 2000 года. Более 15-ти лет практического применения приборов с карбоновым нагревательным элементом доказывают, что вреда здоровью они не наносят.
Чтобы использование карбоновых обогревателей приносило только положительные эмоции, нужно правильно выбрать модель, подходящую конкретному потребителю. При выборе важно учитывать ряд особенностей:
- где будет использоваться прибор – на даче, в квартире, офисе или другом типе помещения;
- площадь, которую предстоит обогревать;
- какой тип устройства более всего подходит в конкретной ситуации;
- необходимая мощность;
- наличие дополнительных функций и возможностей;
- величина бюджета, выделенного для покупки.
Для покупателей, ценящих известность и репутацию фирмы производителя оборудования, стоимость будет несколько выше – за бренд предстоит доплачивать.
Среди производителей карбоновых обогревателей наиболее популярны следующие приборы:
- немецкие модели Zenet;
- французские Noirot Royat;
- турецкие UFO, Maximus, Sinbo;
- китайские Polaris;
- российские БиЛюкс.
Мощность устройств, их конструкция и обогреваемая площадь зависит от модели и производителя. Также, гарантийный срок обогревателей колеблется от 12 месяцев до 6 лет. Все зависит от фирмы производителя. Приборы различных марок с одинаковой мощностью способны справиться с обогревом разной площади. Этот факт следует учитывать при выборе подходящей модели, внимательно изучать сопровождающую документацию понравившейся модели.
Что касается цены, то традиционно самые дешевые варианты предлагают китайские фирмы. Их много и большинство из них не отличается высоким качеством. Поэтому покупатели предпочитают приобретать приборы известных производителей. Одной из надежных марок обогревателей, производимых в Поднебесной, являются приборы Polaris. Они пользуются доверием среди покупателей.
Какой фирме отдать предпочтение – личное дело каждого покупателя. Главное, чтобы обогреватель соответствовал всем требованиям, предъявляемым к нему. Наиболее популярны модели, управляемые с помощью пульта, имеющие поворотные механизмы и оснащенные таймерами. Клиенты предпочитают комфорт, даже если за него предстоит немного переплатить.
Интересно, но многие пользователи карбоновых нагревателей говорят о благотворном влиянии инфракрасных лучей, генерируемых в процессе работы. Это касается улучшения кровообращения, облегчении протекания простудных заболеваний и болезней суставов. Важно правильно пользоваться обогревателем, чтобы себе не навредить.
Полезное видео по теме
Ролик о правилах выбора обогревателей:
Видео-инструкция по использованию карбонового нагревательного прибора:
Видео о монтаже инфракрасной пленки:
Карбоновые обогреватели, излучающие инфракрасные лучи, способны качественно согревать мебель и людей, находящихся в зоне действия. Они весьма экономно расходуют электрическую энергию, максимально передают тепло окружающим предметам, не растрачивая его на подогрев воздуха. Срок службы карбонового нагревательного элемента составляет более 100 000 часов качественной работы. Главное, правильно подобрать нужную модель, учитывая особенности своего помещения и личные предпочтения.
sovet-ingenera.com
Углеродное волокно
Первое получение углеродных волокон в результате пиролиза вискозного волокна и использование для нитей накаливания было запатентовано Эдисоном в конце XVIII века.
Повышенный интерес к волокну появился в XX веке в результате поиска материала компонентов композита при изготовлении двигателей ракет и самолетов.
По своим качествам: термостойкости и теплоизоляционным свойствам, а также коррозионной стойкости, карбоновому волокну не было равных.
Характеристики первых образцов полиакрилонитрильных (ПАН) волокон были невысокие, но усовершенствование технологии позволило получить углеводородные волокна прочностью карбонового волокна 2070 МПа и модулем упругости 480 ГПа.
Сегодня, углепластик или карбон имеет масштабный спектр применения в строительстве:
- для системы внешнего армирования
- для ремонта несущих конструкций складов и мостов, промышленных и жилых зданий.
Использование изделий из углеродного волокна предоставляет возможность проведения строительных мероприятий, по сравнению с существующими способами реконструкции или армирования, быстро и качественно.
Но рассказ о достижениях карбона был бы неполным, если не отметить его использование при изготовлении авиационных деталей.
Достижения отечественных авиапроизводителей составляют здоровую конкуренцию компании Mitsubishi Heavy Industries, производящей детали Boeing 787.
Производство изделий из полимерного материала
Полимерный материал – карбон представляет собой тонковолоконные нити ø от 5 до 15 мкм, образованные атомами углерода и объединенными в микрокристаллы. Именно выравнивание при ориентации кристаллов придает нитям хорошую прочность и растяжение, незначительный удельный вес и коэффициент температурного расширения, химическую инертность.
Производственные процессы получения ПАН волокон связаны с технологией автоклава и последующей пропиткой для упрочнения смолой. Углеродное волокно пропитывают пластиком (препрег) и пропитывают жидким пластиком, укрепляя нити волокна под давлением.
По физическим характеристикам углеродное волокно разделено на типы:
- высокопрочные карбоновые волокна (состав 12000 непрерывных волокон)
- волокна карбонизированные углеродные общего назначения (крученая нить из 2-х и более волокон длиной до 100 мм).
Углепластиковые конструкции, армированные изделиями из материала, уменьшают вес конструкции на 30%, а химическая инертность позволяет использовать карбоновые ткани при очистке агрессивных жидкостей и газов от примесей в качестве фильтра.
Производство углеродного волокна представлено в этом видео.
Номенклатура изделий из карбонового волокна
карбоновые ткани
Главным изделием из высокомодульного волокна карбона является углеродная (карбоновая) ткань толщиной 1,6 – 5,0 мм, имеющая структуру плетеного полотняного переплетения плотностью от 520 до 560 г/м².
Карбоновые ткани, обладатели нулевого коэффициента линейного расширения, имеют высокую стойкость к деформациям и коррозии.
Характеристиками стандартных углеродных тканей являются:
содержание углерода, разрывная нагрузка (МПа), модуль упругости (Гпа), удлинение, линейная плотность.
Параметрами карбоновых тканей являются:
- ширина полотна 1000-2000мм
- содержание углерода 98,5%
- плотность 100-640 г/м2
- толщина 0,25-0,30 мм.
Кроме карбоновых тканей основными изделиями высокомодульного волокна являются ленты и шнуры.
Различают следующие виды плетения тканей карбоновых, которые в определенной мере влияют на подвижность изделия:
- полотняное переплетение, созданное по принципу переплетения каждой нити основы с уточной нитью 1/1, создавая лучшую прочность и подвижность ткани
- сатиновое переплетение, при котором одна нить утка переплетает 4-5 нитей основы, уменьшая возможность сильного изгиба ткани
- саржевое переплетение, у которого количество нитей основы перекрыто таким же количеством нитей утка.
Примером возможности саржевого переплетения является разноцветная карбоновая ткань. Карбоновую ткань разноцветную успешно используют при создании кевларовой одежды и вещей, отличающихся гигроскопичностью и способностью к воздухообмену. Кевлар из технических нитей с различной плотностью и структурой уже вошел в обиход авто и военной индустрии, потеснив стеклохолст и сталь.
Преимущества карбона ярко выражены в изделиях из карбонизированного углепластика.
изделия из карбонизированного волокна
Номенклатура изделий из карбонизированного волокна более расширена и представлена:
- углеродной тканью карбонизированной RK-300 (заменитель стеклоткани)
- тканью с односторонним алюминиевым покрытием RK-300AF (улучшенные свойства за счет термоэкрана позволяют использовать карбон в качестве теплоизоляционного обмоточного материала)
- углеродными конструкционными тканями 1k, 3k, 6k, 12k, 24k, 48k
- карбонизированными лентами и шнурами.
Тканый холст из карбонового или карбонизированного волокна отлично выполняет функции армирования, независимо от типа наполнителя.
Кроме того, с использованием карбонизированных волокон изготавливают экраны, поглощающие ЭМИ, термопары и электроды, а также радиотехнические изделия.
производство бассейнов с карбоновым усилением
При производстве бассейнов с усилением из карбона в технологию вводят этап добавления в керамический слой карбоновое усиление, древесную бальсу и вспененный каучук. Основанием создания двойного каркаса чаши бассейнов с карбоновым усилением послужили построенные эпюры нагрузки и допустимые напряжения на материал.
Сделаем, вывод, что набирающая обороты популярность использования карбонового волокна в перспективе сможет вытеснить с рынка армирующие материалы.
svouimirukami.ru
Общие положения
Углепластик — это композиционный многослойный материал, представляющий собой полотно из углеродных волокон в оболочке из термореактивных полимерных (чаще эпоксидных) смол, Carbon-fiber-reinforced polymer .
Международное наименование Carbon — это углерод, из которого и получаются карбоновые волокна carbon fiber.
Но в настоящее время к карбонам относят все композитные материалы, в которых несущей основой являются углеродные волокна, а вот связующее сможет быть разным. То есть карбон и углепластик объединились в один термин, привнеся путаницу в головы потребителей. То есть карбон и углепластик — это одно и то же.
Это инновационный материал, высокая стоимость которого обусловлена трудоемким технологическим процессом и большой долей ручного труда при этом. По мере совершенствования и автоматизации процессов изготовления карбона его стоимость будет снижаться. Для примера: стоимость 1 кг стали — менее 1 доллара, 1 кг карбона европейского производства стоит около 20 долларов. Удешевление возможно только за счет полной автоматизации процесса.
Применение карбона
Изначально карбон был разработан для спортивного автомобилестроения и космической техники, но благодаря своим отличным эксплуатационным свойствам, таким как малый вес и высокая прочность, получил широкое распространение и в других отраслях промышленности:
- в самолетостроении,
- для спортивного инвентаря: клюшек, шлемов, велосипедов.
- удочек,
- медицинской техники и др.
Гибкость углеродного полотна, возможность его удобного раскроя и резки, последующей пропитки эпоксидной смолой позволяют формовать карбоновые изделия любой формы и размеров, в том числе и самостоятельно. Полученные заготовки можно шлифовать, полировать, красить и наносить флексопечать.
Технические характеристики и особенности карбона
Популярность углепластика объясняется его уникальными эксплуатационными характеристиками, которые получаются в результате сочетания в одном композите совершенно разных по своим свойствам материалов — углеродного полотна в качестве несущей основы и эпоксидных компаундов в качестве связующего.
Армирующий элемент, общий для всех видов углепластика — углеродные волокна толщиной 0,005-0,010 мм, которые прекрасно работают на растяжение, но имеют низкую прочность на изгиб, то есть они анизотропны, прочны только в одном направлении, поэтому их использование оправдано только в виде полотна.
Дополнительно армирование может проводиться каучуком, придающим серый оттенок карбону.
Карбон характеризуются высокой прочностью, износостойкостью, жёсткостью и малой, по сравнению со сталью, массой. Его плотность — от 1450 кг/м³ до 2000 кг/м³. Технические характеристики углеволокна можно посмотреть в сравнительной таблице плотности, температуры плавления и прочностных характеристик.
Еще один элемент, используемый для армирования вместе с углеродными нитями — кевлар. Это те самые желтые нити, которые можно видеть в некоторых разновидностях углепластика. Некоторые недобросовестные производители выдают за кевлар цветное стекловолокно, окрашенные волокна вискозы, полиэтилена, адгезия которых со смолами гораздо хуже, чем у углепластика, да и прочность на разрыв в разы меньше.
Кевлар—это американская торговая марка класса полимеров арамидов, родственных полиамидам, лавсанам. Это название уже стало нарицательным для всех волокон этого класса. Армирование повышает сопротивление изгибающим нагрузкам, поэтому его широко используют в комбинации с углепластиком.
Особенности технологии изготовления углеродного волокна
Волокна, состоящие из тончайших нитей углерода, получают термической обработкой на воздухе, то есть окислением, полимерных или органических нитей (полиакрилонитрильных, фенольных, лигниновых, вискозных) при температуре 250 °C в течение 24 часов, то есть практически их обугливанием. Вот так выглядит под микроскопом нить после обугливания.
После окисления проходит карбонизация — нагрев волокна в среде азота или аргона при температурах от 800 до 1500 °C для выстраивания структур, подобных молекулам графита.
Затем проводится графитизация (насыщение углеродом) в этой же среде при температуре 1300-3000 °C. Этот процесс может повторяться несколько раз, очищая графитовое волокно от азота, повышая концентрацию углерода и делая его прочнее. Чем выше температура, тем прочнее получается волокно. Этой обработкой концентрация углерода в волокне увеличивается до 99%.
Виды волокон карбона. Полотно
Волокна могут быть короткими, резаными, их называют «штапелированными», а могут быть непрерывные нити на бобинах. Это могут быть жгуты, пряжа, ровинг, которые затем используются для изготовления тканого и нетканого полотна и лент. Иногда волокна укладываются в полимерную матрицу без переплетения (UD).
Так как волокна отлично работают на растяжение, но плохо на изгиб и сжатие, то идеальным вариантом использования углеволокна является применение его в виде полотна Carbon Fabric. Оно получается различными видами плетения: елочкой, рогожкой и пр., имеющими международные названия Plain, Twill, Satin. Иногда волокна просто перехвачены поперек крупными стежками до заливки смолой. Правильный выбор полотна для углепластика по техническим характеристикам волокна и виду плетения очень важен для получения качественного карбона.
В качестве несущей основы чаще всего используются эпоксидные смолы, в которых полотно укладывается послойно, со сменой направления плетения, для равномерного распределения механических свойств ориентированных волокон. Чаще всего в 1 мм толщины листа содержится 3-4 слоя.
Достоинства и недостатки карбона
Более высокая цена карбона по сравнению со стеклопластиком и стекловолокном объясняется более сложной, энергоемкоймногоэтапной технологией, дорогими смолами и более дорогостоящим оборудованием (автоклав). Но и прочность с эластичностью при этом получаются выше наряду со множеством других неоспоримых достоинств:
- легче стали на 40%, легче алюминия на 20% (1,7 г/см3 — 2,8 г/см3 — 7,8 г/см3),
- карбон из углерода и кевлара немного тяжелее, чем из углерода и резины, но намного прочнее, а при ударах трескается, крошится, но не рассыпается на осколки,
- высокая термостойкость: карбон сохраняет форму и свойства до температуры 2000 ○С.
- обладает хорошими виброгасящими свойствами и теплоемкостью,
- коррозионная стойкость,
- высокий предел прочности на разрыв и высокий предел упругости,
- эстетичность и декоративность.
Но по сравнению с металлическими и деталями из стекловолокна углеводородные детали имеют недостатки:
- чувствительность к точечным ударам,
- сложность реставрации при сколах и царапинах,
- выцветание, выгорание под воздействием солнечных лучей, для защиты покрывают лаком или эмалью,
- длительный процесс изготовления,
- в местах контакта с металлом начинается коррозия металла, поэтому в таких местах закрепляют вставки из стекловолокна,
- сложность утилизации и повторного использования.
Изготовление карбона
Существуют следующие основные методы изготовления изделий из углеткани
1. Прессование или «мокрый» способ
Полотно выкладывается в форму и пропитывается эпоксидной или полиэфирной смолой. Излишки смолы удаляются или вакуумформованием или давлением. Изделие извлекается после полимеризации смолы. Этот процесс может проходить или естественным путем или ускоряется нагревом. Как правило, в результате такого процесса получается листовой углепластик.
2. Формование
Изготавливается модель изделия (матрица) из гипса, алебастра, монтажной пены, на которую выкладывается пропитанная смолой ткань. При прокатке валиками композит уплотняется и удаляются излишки воздуха. Затем проводится либо ускоренная полимеризация и отверждение в печи, либо естественная. Этот способ называют «сухим» и изделия из него прочнее и легче, чем изготовленные «мокрым» способом. Поверхность изделия, изготовленного "сухим" способом, ребристая (если его не покрывали лаком).
К этой же категории можно отнести формование из листовых заготовок — препрегов.
Смолы по своей способности полимеризоваться при повышении температуры разделяются на «холодные» и «горячие». Последние используют в технологии препрегов, когда изготавливают полуфабрикаты в виде нескольких слоев углеткани с нанесенной смолой. Они в зависимости от марки смолы могут храниться до нескольких недель в неполимеризованном состоянии, прослоенные полиэтиленовой пленкой и пропущенные между валками для удаления пузырьков воздуха и лишней смолы. Иногда предпреги хранят в холодильных камерах. Перед формованием изделия заготовку разогревают, и смола опять становится жидкой.
3. Намотка
Нить, ленту, ткань наматывают на цилиндрическую заготовку для изготовления труб. Кистью или валиком наносят послойно смолу и сушат преимущественно в печи.
Во всех случаях поверхность нанесения углепластика смазывается разделительными смазками для простого снятия получившегося изделия после застывания.
engitime.ru
Особенности карбона
Название материала, «карбон», представляет собой упрощенное выражение, имеющее английское происхождение (сarbon fiber – «углеродное волокно»). Под данным словом могут подразумеваться самые различные материалы, обладающих сходными физико-химическими характеристиками. Однако, все показатели также позволяют отнести материал к группе пластмасс.
Общее вещество, позволяющее отнести карбон к данной группе — наполнитель из углеродного волокна, однако связующие вещества, применяемые в карбоне, будут отличаться. Так как строго установленной классификации материалов группы углепластика пока нет, к данной группе может быть также отнесена пленка из полиэтилена со впайкой угольных нитей.
Своим появлением в автомобильной сфере, в частности, при тюнинговых работах, карбон обязан началом использования на предприятиях оборонной промышленности, а затем достоинства материала были оценены в других сферах, включая спортивную нишу и автомобильный тюнинг.
Описание материала
Карбон представляет собой переплетенные в большом количестве нити из углерода, а крепление между огромным количеством нитей выполняется эпоксидной смолой. Чтобы обеспечить высочайшую прочность материала, нити должны быть уложены с соблюдением определенного угла. Таким образом, основная составляющая композитного материала — углеродная нить, которая не подлежит ломанию или разрыву. Применение современных технологий позволяет производить материал для тюнинга с самым разнообразным видом рисунка и рельефа.
Преимущества и недостатки
Прежде, чем использовать материал, следует узнать основные свойства и особенности работы и эксплуатации материала и предметов, обработанных карбоном.
Особое плетение обеспечивает материалу высокую прочность, и дает несомненное преимущество по сравнению с другими материалами, включая металл.
Карбон отличается легким весом – на 50% легче стали и на 20% легче алюминий.
Еще одним замечательным свойством является особая прочность на разрыв. Деталь, изготовленная с применением карбона, имеет улучшенные потребительские свойства. Данные показатели композита позволяют успешно внедрять его в автоспортивной сфере.
Материал является признанным средством обеспечения дополнительной безопасности пилотов спортивных машин, а также имеет влияние на улучшение спортивных результатов, так как вес спортивного средства оказывает огромное воздействие на обеспечение максимальной устойчивости болида.
Однако применение карбона имеет и свои недостатки. Прежде всего, речь идет о высокой стоимости композита, основанную на сложности применяемых в производстве уникальных технологий, а также на изначальной высокой стоимости исходных веществ: при склеивании между слоями карбона применяются дорогие смолы с повышенными качественными характеристиками.
Несмотря на прочность, карбону следует избегать точечные удары, а также значительных быстрых механических воздействий. Таким образом, повреждения можно получить даже при метком попадании небольшого камешка в часть автомобиля, содержащего карбоновый элемент.
Еще одна опасность, от которой стоит оградить поверхность карбона – солнечные лучи. Их воздействие губительно для внешнего вида изделий из данного материала. Если не предпринять мер по защите авто от прямого солнца, внешний вид будет испорчен в течение короткого промежутка времени.
Сферы применения карбона
Как уже говорилось, автомобилисты хорошо знают данный материал, благодаря использованию в тюнинговых работах. Высокая оценка практического применения способствовала резкому росту популярности материала. В настоящее время, актуален вопрос перехода от применения в тюнинге к использованию в серийном производстве автомобилей.
Основные характеристики, способствующие расширению сферы использования карбона, являются:
- прочность и легкость материала;
- наличие возможности нанесения декоративного рисунка, способствующего улучшению внешнего вида;
- способность переливаться на свете, благодаря отражению лучей поверхностью многочисленных нитей;
- эксклюзивность цвета и внешнего вида.
Данные способности оценены производителями автомобилей, а также организациями, работающими в автомобильной сфере. Применение карбона для рядовых пользователей означает продвинутые технологии и инновации компании, занимающейся автомобильными усовершенствованиями.
На видео о применении карбона
Следует отметить, что у карбона, относимого к углепластику, есть множество родственных материалов, входящих в ту же группу и обладающих схожими потребительскими характеристиками.
ru-act.com
В ближайшем будущем одежда, изготовленная из ткани, содержащей карбоновые нити, сможет приводить в действие носимые устройства – это значит, что такая одежда сможет вырабатывать энергию благодаря движением тела пользователя.
По сравнению с уже ставшими нам относительно привычными видами возобновляемых источников энергии, такими как солнечная энергия и энергия ветра, разработка энергосберегающей ткани все еще находится в зачаточном состоянии, но работа над ее созданием и применение активно ведется уже несколько лет. И она дает многообещающие результаты и позволяет в будущем рассматривать возможность создания такой ткани и ее использования в качестве микромасштабного источника электроэнергии. Последние исследования, изучавшие возможности преобразования механической энергии в электричество, свидетельствуют о том, что подобная ткань может вырабатывать количество энергии, достаточное не только для зарядки смартфонов или небольших гаджетов, но и для работы более масштабных механизмов.
Группа международных исследователей, возглавляемая учеными из Техасского университета в Далласе (UT Dallas) и Университета Ханьяна в Южной Корее, разработала специальную пряжу, состоящую из углеродных (карбоновых) нитей, которая может генерировать электричество при скручивании или растяжении, что, по их словам, может «обеспечить выработку энергии при движении». Сами углеродные нити невероятно тонкие – они примерно в 10 000 раз тоньше человеческого волоса, но намного прочнее, чем сталь. Такие нити называют карбоновыми или твистронными нитями. По словам команды исследователей, рубашка с твистроном может обеспечить выработку энергии, достаточной для того, чтобы привести в действие мелкие устройства, без необходимости включать их в сеть.
«Твистроовые нити работают по очень простому принципу — у вас есть пряжа, вы ее растягиваете или скручиваете и получаете электричество», — говорит доктор Картер Хейнс, профессор-доцент в Институте нанотехнологий Алана Дж. Макдиармида в UT Dallas
Твистронная пряжа по своему внешнему виду похожа на «перекрученную резиновую ленту», что обеспечивает ее энергосберегающие качества. Когда такая пряжа растягивается или скручивается, она уменьшает объем углеродных нитей, тем самым увеличивая их энергию из-за электрических зарядов на нити, сближающихся друг с другом, что, в свою очередь, увеличивает напряжение и позволяет ткани вырабатывать электричество. По словам доктора Рэя Богмана, директора Института НаноТеха и соавтора исследования, спиральные твистронные нити, которые растягиваются 30 раз в секунду, могут генерировать 250 Вт мощности на килограмм, что, как говорят, «более чем в сто раз превышает электрическую мощность по сравнению с другими тканями, которые обладают схожими свойствами».
Исследователи говорят, что производительность ткани на основе карбоновых нитей может увеличиваться за счет увеличения диаметра пряжи и параллельного развертывания нескольких ее нитей, и, хотя технология очень перспективная, есть одно серьезное препятствие для ее использования и быстрого развития – это высокая стоимость производства таких нитей.
«Если бы наши твисторные ткани могли быть менее дорогостоящими, они могли бы в конечном итоге дать человечеству возможность получить огромное количество энергии. Однако в настоящее время эти нити не используются широко». – говорит Богман.
Группа, которая подала заявку на патентование данной технологии, опубликовала результаты своего исследования в журнале Science.
rodovid.me
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 позиции в каталоге 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. Однонаправленные ленты 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 карбоновых изделий 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 карбонов 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 углеткань 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 углепластика 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»
- Твитнуть
-
www.hccomposite.com
Сегодня мы поможем разобраться в одном из самых интересных материалов 21 века. Начнем с военных технологий, закончим тюнингом.
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.
Углеродное волокно является основой для производства углепластиков (или карбона, 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.
Что такое карбон?
Слово «карбон» — своего рода профессиональный жаргонизм, точнее сокращение от английского Carbon Fiber (углеродное волокно), под эгидой которого, в общем понимании, объединилось огромное количество самых разных материалов. Примерно, как тысячи различных веществ с отличающимися физическими, химическими и техническими свойствами носят название «пластмасса». В случае с карбоном, общим для материалов стал углеволоконный наполнитель, но не связующее вещество, которое может быть разным. Даже полиэтиленовая пленка с впаянными в нее угольными нитями с полным правом может носить это гордое имя. Просто сложившейся классификации углепластиков еще нет.
Большинство современных материалов, применяемых в технике и, особенно, в автомобильной области, доходят до рядового потребителя по схожему сценарию. Новшества появляются в научных лабораториях обычно для нужд «оборонки». Затем, исполнив почетную обязанность по защите Отечества, они прокладывают себе дорогу через спорт и, как следствие, тюнинг к конвейеру. Так произошло и в случае с углеродными материалами.
Какое применение для карбона?
В последние годы проникновение карбона в конструкцию затюнингованных энтузиастами «аппаратов» приняло лавинообразный характер. Кроме того, углепластик все чаще и чаще упоминается в описаниях серийных машин. Этот материал, имеющий военно-космическую и спортивную предысторию, становится все популярнее. Прочность и легкость материалов ценятся конструкторами автомобилей уже давно, примерно с 50-х годов прошлого века. Сегодняшний прогресс технологий производства увеличивает соблазн применять больше композитов в новых разработках. Для владельца машины подобные детали ценны не только декоративностью рисунка углеродной ткани и завораживающей «переливчатостью» отраженного волокнами света, но и сохраняющейся аурой эксклюзивности. Со стороны производителя предложение карбоновых элементов в отделке — показатель технологической «продвинутости» фирмы.
Краткий курс истории.
Не нарушая сложившихся традиций, после «службы в армии» углепластик «занялся» спортом. Лыжники, велосипедисты, гребцы, хоккеисты и многие другие спортсмены по достоинству оценили легкий и прочный инвентарь. В автоспорте карбоновая эра началась в 1976 году. Сначала на машинах McLaren появились отдельные детали из диковинного черно-переливчатого материала, а в 1981 на трассу вышел McLaren MP4 с монококом, полностью изготовленным из углеволоконного композита. Так идея главного конструктора команды Lotus Колина Чепмена, создавшего в 1960-х несущую основу гоночного кузова, получила качественное развитие. Однако в то время новый материал был еще неведом технологам от автоспорта, потому неразрушаемую капсулу для McLaren изготовила американская компания Hercules Aerospace, обладающая опытом военно-космических разработок. Сейчас же в активе практически всех ведущих команд Формулы-1 есть собственное оборудование для выпуска карбоновых монококов, рычагов подвески, антикрыльев, спойлеров, сидений пилотов, рулей и даже тормозных дисков.
Что же такое КАРБОН или углеродное волокно?
Углеродное волокно состоит из множества тончайших нитей углерода. Прочность нитей на разрыв, сравнимая с прочностью легированной стали, при массе, меньшей, чем у алюминия, обуславливает высокие механические характеристики карбонов. Интересно, что наиболее распространенная технология получения столь прочного материала основана на методе «обугливания» волокон, по изначальным свойствам близким к шерсти. Исходный полимер белого цвета с мудреным названием полиакрилонитрил подвергается нескольким циклам нагрева в среде инертных газов. Сначала под воздействием высокой температуры (около 260 C) на молекулярном уровне изменяется внутренняя структура вещества. Затем при температурах повыше (около 700 C) атомы углерода «сбрасывают» водород. После нескольких «поджариваний» водород удаляется полностью. Теперь удерживавшие его силы направлены на упрочнение связей между оставшимися элементами. На шерсть материал уже не похож, однако его прочность еще далека от идеала. И процесс под названием графитизация продолжается. Повторяющиеся операции нагрева до 1300 C «очищают» почерневшее волокно уже от азота. Полностью избавиться от последнего не удается, однако его количество уменьшается. Каждый «шаг» делает содержание в веществе атомов углерода все больше, а их связь все крепче. Механизм упрочнения такой же, как и при «изгнании» водорода. Самая прочная продукция проходит несколько ступеней графитизации при температуре до 3000 C и обозначается аббревиатурой UHM.
Почему так дорого?
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.
Угольная 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. Однонаправленные ленты 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.
Не принимайте это на свой счет, кто ищет тот найдет! Автор не претендует на истину в конечной инстанции.
Как производятся карбоновые и/или композитные изделия?
Технология производства НАСТОЯЩИХ карбоновых изделий 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. Это Россия, раслабся 😀 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 оборудования.
Эпоксидные смолы горячего отверждения прочнее, что позволяет выявить качества карбонов 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 углеткань 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 углепластика 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.
Автор статьи :Алексей Романов ( в редакции Rules26 :))
редактор журнала «ТЮНИНГ Автомобилей» имеет свой взгляд на мир карбона)))
И не изготовив пару тройку деталей судит о том что "знает" только по книжкам.
Пробуйте и дерзайте!
www.drive2.ru