Miasto przyszłości. Technologia węglowa zrewolucjonizuje rynek budowlany. Co to jest węgiel? Co robi włókno węglowe?

02.03.2020

To prawda, że wielkość jest krótkotrwała. Żelbet, najpopularniejszy materiał konstrukcyjny XX wiek, niestety, ma krótkoterminowy służba i 5 tysięcy lat, jak piramidy w Gizie, na pewno nie przetrwają. Istnieje jednak sposób na przedłużenie żywotności takich konstrukcji. Moskiewscy naukowcy wymyślili trwałe „ubrania” do betonu zbrojonego. Teraz jest to najnowsze spojrzenie w modzie architektonicznej. I nie tylko.

Pomimo tego, że czasy Robin Hooda już dawno minęły, na całym świecie wciąż nie brakuje fanów drewnianego łuku. Ale zawodowi sportowcy wybierają nowoczesne technologie. Na przykład ten łuk jest dwa razy lżejszy od swojego drewnianego odpowiednika, początkowa prędkość strzały to 105 metrów na sekundę, a zasięg celowania to 100 metrów. Te wyjątkowe cechy uzyskała dzięki materiałowi, z którego jest wykonana – włóknie węglowym.

Włókno węglowe lub włókno węglowe - ten materiał jest dobrze znany nie tylko wśród sportowców-łuczników i myśliwych. Każdy, kto kiedykolwiek jeździł na nowoczesnych nartach zjazdowych, miał w rękach karbon, ponieważ z niego wykonane są kijki narciarskie. Miłośnicy samochodów marzą o masce lub zderzaku z włókna węglowego, rowerzyści coraz częściej wybierają karbonową ramę zamiast aluminium. Nawet w przypadku zwykłych artykułów gospodarstwa domowego, takich jak klawiatura komputerowa czy mysz, gdzie superwłaściwości są bezużyteczne, projekt jest „karbonowy”. Są jednak całe branże, w których nie da się obejść bez superwłaściwości tego materiału. Na przykład przemysł lotniczy.

„Tutaj widać element skrzydła samolotu, który jest w całości wykonany z materiałów węglowych przy użyciu nowej technologii infuzji próżniowej. Główną różnicą w stosunku do tradycyjnego skrzydła aluminiowego jest to, że ten produkt jest całkowicie integralny bez użycia jakichkolwiek elementów złącznych i dodatkowego montażu ”, mówi Aleksiej Uljanow, Zastępca Kierownika Działu Technologii CJSC Aerocomposite.

- Ile waży podobna część wykonana z aluminium?

- Około 200 kilogramów.

- Ten ma około 50 kilogramów.

Mimo względnej lekkości ten fragment skrzydła wytrzymuje obciążenie prawie 2000 ton. Ponadto samolot o tak lekkich skrzydłach potrafi wznosić się w powietrzu jak szybowiec, przez co silniki pracują mniej, a to pozwala zaoszczędzić około 40 proc. paliwa w locie, czyli pieniądze pasażerów.

„Zaletą materiałów węglowych jest to, że projektant może według własnego uznania kreować właściwości finalnego produktu, montując różne komponenty, dlatego stosuje się tutaj specjalne materiały, przeznaczone do budowy samolotów, dla których różnice temperatur na ziemi i w powietrzu nie odgrywaj żadnej roli”, wyjaśnia Aleksiej Uljanow.

tkanina węglowa- tak wygląda ten niesamowity materiał. Należy pamiętać, że wycina się z niego przyszły element skrzydła samolotu, jak rękaw jakiegoś dużego kombinezonu. To prawda, że taki rękaw będzie miał znacznie więcej warstw. Na przykład w tym szczególe jest osiemdziesiąt dwa.

W jaki sposób z pozoru zwyczajna tkanina zamienia się w tak mocną konstrukcję, która jest w stanie wytrzymać wielotonowe obciążenia i takie wstrząsy? Wszystko sprowadza się do technologii infuzji. Wyciętą i ukształtowaną tkaninę umieszcza się w module próżniowym, a następnie wysyła do dużego pieca. Tam poprzez specjalne dysze doprowadzany jest kolejny ważny składnik - żywica, która spaja wszystkie warstwy tkaniny w jeden monolit. Światowi liderzy branży lotniczej, tacy jak Boeing i Airbus, również wykorzystują w swoich samolotach włókna węglowe, ale technologia opracowana w moskiewskim laboratorium firmy Aerocomposite jest dla nich za trudna. A za rok lub dwa Rosja może w ogóle nie mieć konkurentów w tej dziedzinie.

„Kończymy budowę dwóch zakładów seryjnych. Jedna fabryka będzie produkować główne elementy zasilania, skrzynki skrzydeł, dokładnie według technologii, którą tu widzicie. Startujemy za dwa miesiące, w połowie rozpocznie się próbna eksploatacja i pierwsze eksperymentalne skrzydło UAC i Aerocomposite Następny rok. Drugi zakład w mieście Kazań, który będzie wykonywał elementy mechanizacji i wind. To zakład, który budujemy wspólnie z naszymi austriackimi partnerami, firmą Fischer. Będzie działać zarówno w przypadku programów rosyjskich, jak i szeroko zakrojonych programów eksportowych zleconych przez Fischera” – powiedział Anatolij Gajdanski, prezes CJSC „Aerokompozyt”.

Jedyne, co tracą rosyjscy producenci w tej dziedzinie węgla, to jakość samego włókna węglowego, więc producenci samolotów nadal muszą korzystać z importowanych surowców. Jednak wkrótce wszystko się zmieni. w stolicy Technopark „Moskwa” Cały zespół naukowców, inżynierów i testerów pracuje nad rozwojem i tworzeniem konkurencyjnych tkanin węglowych. Rząd moskiewski od dawna zrozumiał, że takie innowacje to przyszłość i stworzyły najbardziej komfortowe warunki pracy dla naukowców.

„To są najnowsze próbki włókna węglowego, są cztery razy mocniejsze od stali, teraz udowodnię ci to na maszynie wytrzymałościowej. Aby to zrobić, naprawiamy próbkę w terminalach i przeprowadzamy test. Cóż, nasza próbka wytrzymała dwie tony ”pokazuje Anton Jewdokimow, inżynier laboratorium testowego.

- Co może stworzyć taki ładunek?

- Podobne obciążenia mogą powstać np. przez ciągnące się dwa SUV-y ta próbka w różnych kierunkach na pierwszym biegu.

- Okazuje się, że stal nie wytrzymałaby nawet takiego obciążenia?

- Oczywiście nie. Wytrzymałaby cztery razy mniejsze obciążenie, porównywalne gdzieś z 500-700 kg, nie więcej.

Najbardziej zdumiewające jest to, że ten najbardziej odporny na rozdarcia materiał jest zrobiony z płynu. Dokładniej z poliakrylonitrylu.

Włókno poliakrylonitrylowe jest wytwarzane metodą ekstruzji. Mówiąc najprościej, polimer jest przeciskany przez specjalną matrycę. W tej dyszy, która wygląda na całkowicie jednorodną, w rzeczywistości są setki malutkich dziurek o średnicy zaledwie siedemdziesięciu mikronów, to jest średnia grubość ludzkiego włosa. Po opuszczeniu go do wody i przyłożeniu nacisku, przyglądając się bliżej, można zobaczyć cienkie białawe nitki wychodzące z dyszy w ciągłym strumieniu.

Przechodząc przez te gorące kąpiele ze specjalnym roztworem, włókno polimerowe jest rozcieńczane około sześciokrotnie, od siedemdziesięciu do dwunastu mikronów. Ale ze względu na fakt, że zawarte w nich cząsteczki układają się w określony sposób, nić ta staje się tylko silniejsza. W efekcie po wielu operacjach z poliakrylonitrylem następuje niesamowita metamorfoza, a płynny polimer staje się mocnym włóknem.

„To nie jest produkt końcowy, a jedynie surowiec do produkcji włókna węglowego. Przed uzyskaniem włókna węglowego to włókno poliakrylonitrylowe musi przejść proces przetwarzania w wysokiej temperaturze, a także utleniania, grafityzacji i karbonizacji ”- wyjaśnia Elina Bilewskaja, przedstawiciel firmy Composite.

Po otrzymaniu kolejnej eksperymentalnej partii surowców naukowcy przeprowadzają wnikliwą analizę wyprodukowanego materiału, a następnie dostosowują ustawienia aparatury i rozpoczynają proces od nowa. Jak mówią, doskonałość nie ma granic.

„Naszym zadaniem jest uzyskanie włókna bardziej przyjaznego dla środowiska i obniżenie kosztów technologii jego produkcji. Co w rzeczywistości nam się udaje. W ciągu ostatniego roku opracowaliśmy około stu prototypów, które następnie zostały przekazane do przetworzenia na włókno węglowe. Nieustannie prowadzimy badania nad powstawaniem naszego błonnika, a także bezpośrednio fizyczne właściwości mechaniczne uzyskane włókno”, mówi Denis Fokin, inżynier badawczy.

Kilka z najbardziej udanych rozwiązań, które wyszły ze ścian tego laboratorium w moskiewskim technoparku, jest już z powodzeniem wykorzystywanych w budownictwie. Na przykład, włókno węglowe dodawany do zapraw takich jak gazobetony i pianobetony, znacznie zwiększając ich właściwości techniczne. A w Czelabińsku nie pilotażowo, ale seryjnie uruchomiono produkcję specjalnych taśm z włókna węglowego, które służą do naprawy i wzmacniania konstrukcji żelbetowych. Ale czy ta technologia jest tak dobra w praktyce, jak w słowach? Teraz się dowiemy.

Zróbmy eksperyment demonstracyjny. Wyobraź sobie, że są to dwa mosty drogowe. W rzeczywistości jest to najzwyklejsza drewniana linijka o długości 30 centymetrów. A obok jest też drewniana linijka, ale z jednej strony wzmocniona włóknem węglowym. Zacznijmy więc eksperyment. Na początek przetestujemy nasz drewniany most. Na trzeciej cegle pęka. Sprawdźmy teraz linijkę z włóknem węglowym. Jedna cegła, dwie, trzy, cztery - linijka nie pękła, popękały podpory mostu. Teraz jestem przekonany, że konstrukcja wzmocniona włóknem węglowym jest znacznie mocniejsza.

Typowy moskiewski wieżowiec. Dom wydaje się być w dobrym stanie, a jego wygląd zewnętrzny nie nosi śladów poważnych uszkodzeń. Jednak już się dzieje. Na konstrukcjach nośnych w piwnicy domu pojawiły się pęknięcia. Choć nie duży, ale już bardzo niebezpieczny. Jeśli wilgoć dostanie się do środka, metalowe wzmocnienie rdzewieje, sam beton zacznie się rozszerzać, korodować, a strop może się zawalić.

„Aby te pęknięcia nie pojawiły się ponownie, a ta nie otwierała się jeszcze bardziej, wzmacniamy je. Obecnie pracujemy na podobnej stronie” – pokazuje inżynier Aleksey.

Oto jak możesz naprawdę każdego ocalić konstrukcja żelbetowa przed zniszczeniem i szkodliwymi skutkami otoczenie zewnętrzne. Tutaj w piwnicy domu odbywa się w rzeczywistości ten sam proces technologiczny wytwarzania włókna węglowego, który widzieliśmy przy produkcji części lotniczych. Tylko tutaj żywica wiążąca jest nakładana bezpośrednio na beton. Taśma z włókna węglowego o pożądanej szerokości jest nawijana na obrabianą powierzchnię i pokryta kolejną warstwą żywicy epoksydowej na wierzchu. Po kilku godzinach, gdy żywica stwardnieje, wszystkie pęknięcia na powierzchni żelbetowej posadzki będą już niezawodnie chronione warstwą włókna węglowego o grubości trzech milimetrów.

„Oczywistą zaletą tej technologii jest to, że trzyosobowy zespół wykonał tę część zakładki w cztery godziny. Gdyby wzmocnienie odbywało się klasycznymi metodami, na przykład metalowymi ramami, zajęłoby to około trzech dni, a pięć lat później, w tej wilgotnej piwnicy, metal znów zacząłby korodować, musielibyśmy się cofnąć i przerobić ”, wyjaśnia budowniczy Aleksiej.

Zakres zastosowania tej technologii w budownictwie jest ogromny. Naprawa stropów żelbetowych, wzmocnienie podpór licznych mostów i wiaduktów. Ponieważ włókno węglowe nie boi się środowiska wodnego, może być wykorzystywane do budowy i utrzymania technologicznego zapór oraz instalacji podziemnych. Jednak niewiele firm budowlanych jest gotowych na szerokie zastosowanie tego materiału. Chodzi o to, że ani GOST, ani SNiP nie zostały jeszcze w pełni opracowane do wykorzystania włókna węglowego w Rosji. Nawet na specjalistycznych uczelniach budowlanych studenci uczą się na tradycyjnych materiałach – drewnie, cegle, żelbecie. Gdy tylko ta niefortunna luka zostanie wyeliminowana w systemie edukacji i standaryzacji, wiele dzieł architektonicznych z przeszłości będzie miało wreszcie solidną, węglową szansę na drugą młodość.

Co to jest węgiel?

Carbon to techniczna tkanina składająca się z tysięcy splecionych włókien węglowych, które tworzą tę samą tkaninę. Węgiel jest dostępny w szerokiej gamie splotów w zależności od zamierzonego zastosowania i jest tylko jedną częścią wieloczęściowych materiałów konstrukcyjnych znanych wszystkim jako materiały kompozytowe. Kompozyty są wykonane z komponentów, które łączą właściwości różnych materiałów, a celem jest brak sztywności lub uzyskanie wytrzymałości. W przypadku włókna węglowego, włókna szklanego, kevlaru lub innych podobnych materiałów, materiał kompozytowy, o którym mowa, nazywa się FRP (Fiber Reinforced Polymer). Przy produkcji takiego polimeru stosuje się tkaninę w celu „wzmocnienia” strukturalnej sztywności żywicznej warstwy spodniej. Żywica zapewnia wytrzymałość kompozytowi, podczas gdy węgiel dodaje strukturalnej integralności kruchemu tworzywu sztucznemu.

Jak powstaje węgiel?

Węgiel (włókno węglowe), jak sama nazwa wskazuje, to tkanina składająca się wyłącznie z węgla i nie posiadająca w swoim składzie innych pierwiastków. Ale rozpoczęcie produkcji po prostu od włókna węglowego i od stworzenia tkaniny o splotach włókien byłoby prawdziwym, ale nieuchwytnym wyczynem. Zamiast używać włókna węglowego jako surowca, fabryki tekstylne zaczynają od tworzyw sztucznych o bardziej złożonym składzie molekularnym, gdzie grubość nici jest mniejsza niż grubość ludzkiego włosa. Następnie wymagane jest wykonanie szeregu określonych czynności, począwszy od obróbki cieplnej, a skończywszy na obróbce chemicznej. Efektem końcowym tych złożonych procesów jest dopracowanie składu materiałów polimerowych do najbardziej empirycznej postaci – postaci czystego węgla.

Włókno węglowe jest często mierzone i sprzedawane w oparciu o kilka kryteriów, takich jak rodzaj splotu, wartości bezwzględne (miara wytrzymałości pojedynczego włókna) oraz waga tkaniny. Wszystkie pomiary podano w uncjach na jard kwadratowy plus liczba włókien (zwykle w zakresie od 3000 do 12 000 włókien).

Jakie są rodzaje splotów?

Tkanie jednokierunkowe:

Tkanie jednokierunkowe oznacza, że wszystkie pasma (włókna) węglowe są skierowane w tym samym kierunku. Tkanie w tym stylu nie jest widoczne gołym okiem. Ponieważ nie ma tkania jako takiego, pasma włókna muszą być w jakiś sposób utrzymywane razem. I w tym przypadku konieczne jest przeciągnięcie kolejnej nici po przekątnej lub prostopadle, aby tkanina pozostała gładka i jednolita (a ten element tkacki nie jest strukturalny). Ze względu na sztywność tkaniny tylko w jednym kierunku, ten rodzaj splotu jest rzadko stosowany w sportach motorowych, gdzie obciążenie może iść w dowolnym kierunku.

Włókna tkane dwukierunkowo:

Podstawowym i najczęściej spotykanym rodzajem splotu jest dwukierunkowe włókno węglowe. Pasma splatają się ze sobą pod wymaganym kątem, dzięki czemu tkanina otrzymuje strukturę „szachownicy”, w której nitki tkaniny układane są na boki i w pionie. W tym przypadku wszystkie włókna są skierowane w taki sposób, aby obciążenie można było przyłożyć w dowolnym kierunku, a materiał kompozytowy musi zachować swoją wytrzymałość.

Tkanie po przekątnej w dwóch przez dwie nitki

Tkanie po przekątnej od dwóch do dwóch jest najczęstszym rodzajem splotu węglowego, który jest szeroko stosowany w sportach motorowych. Ten splot jest nieco bardziej skomplikowany niż włókno dwukierunkowe, ponieważ dwa pasma przechodzą przez pozostałe dwa pasma, albo jedno nad dwoma, albo dwa nad jednym. W wyniku tego przeplatania się nitek na tkaninie powstaje wzór w jodełkę. Dzięki temu, że tkanie dwie na dwie nitki po przekątnej łączy się zarówno z nitkami pionowymi, jak i poziomymi (osnowa i wątek), tkanina staje się bardzo elastyczna i może przybierać różne skomplikowane kształty. Przy pracy z tego typu splotem węglowym nie ma potrzeby wykonywania takich prac jak „sklejanie”, „rozciąganie” czy cięcie.

Tkanie po przekątnej od czterech do czterech nitek

Podobnie jak tkanie po przekątnej w dwóch do dwóch nitek, czyli od czterech do czterech nitek, ten typ odnosi się do dwustronnego splotu ukośnego, w którym jedna wiązka zawiera cztery nitki. Dzięki temu tkanina nie jest tak gęsta jak tkanie w dwóch przez dwa pasma, ale w przypadku zakrzywionych powierzchni uzyskuje się lepszy współczynnik krycia, ponieważ jest większa odległość między rzeczywistymi punktami nad i pod splotem, co jest bardziej wydajny, ponieważ w tym przypadku mniejsza ilość twardych szwów. Ułatwia to karbonizację zakrzywionych odlewów.

Gumowany splot

Gumowana tkanina węglowa to bardzo specyficzny sposób wytwarzania tkaniny, który jest znacznie mniej powszechny w porównaniu do wszystkich omawianych rodzajów splotów. Gumowany splot włókien oznacza, że każde pasmo składa się z 3000 do 12 000 pasm, przy czym każde pasmo jest ułożone ciasno jeden po drugim, tworząc najcieńszą taśmę węglową. Standardowe splotki są połączone ze sobą kilkoma warstwami nici węglowych. Gumowaną tkaninę można rozpoznać po obecności szerokich otwartych przestrzeni. Naprzemienne dwukierunkowe włókno węglowe z gumowaną strukturą tkaniny tworzy jednocalowe kwadraty.

Ponieważ ze względu na duże rozmiary tych obszarów tkania tkanina traci swoją gęstość, punkty tkania „nad i pod” znajdują się w dużej odległości od siebie. Tak więc punkty przecięcia nitek znajdują się w pewnej odległości od siebie, częstotliwość zmian kierunku jest znacznie zmniejszona, a tkanina może znacznie ściślej przylegać do powierzchni.

Jak opisano na stronie, angielskiego dostawcy materiałów i polimerów, „tkaniny gumowane zyskują popularność w branży kompozytów high-tech ze względu na ich niewiarygodnie płaski profil, który praktycznie niweluje tzw. pewna tekstura na powierzchniach wymagających idealnej gładkości (np. skrzydła samolotu).

Ponieważ warstwa tkaniny jest znacznie cieńsza, możliwe jest nałożenie warstwy na kolejną warstwę i uzyskanie w ten sposób wymaganych właściwości wytrzymałościowych. Ten rodzaj węgla jest często używany w obszarach, w których aerodynamika przeważa nad wytrzymałością. Gumowana tkanina ma wygląd zewnętrzny, inny od standardu, który natychmiast wywołuje miłość lub nienawiść.

Różne żywice

Tkanina karbonowa to tylko jeden składnik materiału kompozytowego, o którym mowa w przypadku sportów motorowych i wyścigów na torze. Kolejnym ważnym składnikiem jest żywica, która wzbogaca samą tkaninę i nadaje jej rzeczywistą sztywność. Żywice są używane w różnych „naczyniach” polimerowych. Dwa najczęściej używane materiały to żywica epoksydowa i poliestrowa. Każdy, kto kiedykolwiek pracował z włóknem szklanym tylko po to, aby naprawić swoją deskę surfingową lub część samochodową, wie, że ta żywica może być prawdziwym wrzodem na tyłku. Lotne związki organiczne (LZO) to opary, które są znakiem rozpoznawczym wielu rodzajów żywic, chociaż istnieją takie swobodnie dostępne, które nie wykorzystują tych chemikaliów, które mogą uszkodzić mózg. Prawie każdy zna luz związany z pracą z żywicą, gdy używa się odpowiednich produktów. ochrona osobista nie są używane, ale rozwija się nadwrażliwość i alergie. A te przypadki stały się tak powszechne, że często słyszymy dowcipy o ludziach, którzy nie mogą przebywać w pomieszczeniu, w którym pracuje się żywica.

Żywica epoksydowa

Żywica epoksydowa jest najbardziej popularną wielofunkcyjną żywicą konstrukcyjną. Jak w przypadku prawie wszystkich rodzajów żywic, jest to dwuczęściowy roztwór żywicy i katalizatora. Czas reakcji jest różny, ale jest bezpośrednio zależny od warunków środowiskowych. Okres ważności ( czas pracy), zwykle od pięciu do trzydziestu minut. Generalnie ekspozycja termiczna zawsze przyspiesza proces „dojrzewania”, ale cały proces wiązania trwa zwykle nie więcej, ani mniej, tylko cały dzień (24 godziny) – jeśli nie ma to żadnego wpływu na mieszankę. W porównaniu z żywicą poliestrową, żywica epoksydowa jest trwalsza, ale wymaga cierpliwości podczas pracy z nią.

żywica poliestrowa

Żywica poliestrowa jest tańszą alternatywą dla epoksydów, charakteryzującą się szybszym czasem wiązania. Jest stosowany głównie w sytuacjach, w których integralność strukturalna jest mniej ważna niż estetyka, według easycomposites.co.uk: wygląd, odporność na promieniowanie UV i cena są najwyższym priorytetem.”

Prepregi (tkaniny wstępnie impregnowane)

Niektóre tkaniny węglowe można wytwarzać jako wstępnie impregnowane roztworem żywicy, w którym obróbka cieplna działa jak katalizator. Prepregi są używane w wielu gałęziach przemysłu kompozytowego, ponieważ ich zastosowanie nie wymaga skomplikowanych procesów, a w bezpośredniej pracy bałagan jest zminimalizowany: wystarczy wymieszać żywice i ułożyć wilgotną tkaninę warstwami.

Prepregi są również materiałem wybieranym w branżach, w których waga odgrywa ważną rolę. Do takich obszarów zalicza się lotnictwo, gdzie większość masy części znajduje się w żywicy, a nie w tkaninie. Biorąc pod uwagę minimum wymagane do dokładnego i równomiernego zaimpregnowania tkaniny żywicą, prepreg może być użyty do stworzenia najmocniejszej i najlżejszej konstrukcji.

Proces produkcji

obliczenia mokre

Tradycyjnie, małe części układa się na mokro wraz z kształtem wklęsłym, a następnie tworzy się korek (ale to już inna historia). Suchą szmatkę umieszcza się wewnątrz formy. Żywicę nakłada się pędzlem, aż do całkowitego nasiąknięcia lub nasycenia nią tkaniny. Kolejne warstwy tkaniny układa się na wierzchu pierwszej warstwy, zachowując kierunek tkania: 45 stopni dla tkania dwukierunkowego i 90 stopni dla tkaniny skośnej. Jeśli warstwy tkaniny nie pasują do siebie w kierunku, część wyjściowa straci sztywność w jednej osi i będzie zbyt wzmocniona w drugiej.

Po ułożeniu tylu warstw materiału, ile potrzeba do uzyskania pożądanej grubości, nadmiar żywicy jest zdrapywany skrobaczką, tak jakbyś usuwał wodę z przedniej szyby. Część jest następnie przetwarzana w niskociśnieniowym worku próżniowym. W efekcie żywica wypełnia wszystkie pozostałe puste przestrzenie powietrzne, wypierając tym samym najmniejsze pęcherzyki powietrza, a nadmiar żywicy odchodzi.

W niektórych przypadkach wszystkie te manipulacje są wykonywane w odwrotnej kolejności. Sucha tkanina jest pakowana próżniowo do formy, a dopiero potem nakładana jest żywica. Dzięki tej metodzie nie ma odpadów i brudu. Ostatnim krokiem jest obróbka cieplna. Wszystkie części są „pieczone” w piecu ciśnieniowym, tzw. autoklawie, a żywica jest całkowicie stężona.

Chociaż większość z nich nie ma dostępu do specjalistycznego sprzętu, procedury, takie jak pakowanie próżniowe i autoklawowanie, są opcjonalne w przypadku przedmiotów obrabianych, które nie muszą być dostosowane do określonych wymagań.

Aplikacje

Carbon nabrał rozpędu w przemyśle motoryzacyjnym. Na rynku wtórnym najczęściej stosowanym materiałem do powlekania części jest węgiel. Części karoserii, elementy wykończenia wnętrza - a wszystko to wykonane jest z włókna węglowego, co nadaje samochodowi wysokiej klasy wygląd. Funkcjonalnie części z włókna węglowego znajdują zastosowanie niemal we wszystkich dziedzinach - od przemysłu motoryzacyjnego, poprzez przemysł stoczniowy, a skończywszy na lotnictwie.

Węgiel jest używany do budowy siedzeń wyścigowych, wałów napędowych, elementów bezpieczeństwa, takich jak kaski i zagłówki, a nawet technologia sprężyn mieszanych zaczyna wykorzystywać węgiel w układach zawieszenia.

Węgiel nie jest panaceum

Atrakcyjność węgla jest dla wielu tak silna, że obecnie istnieje tendencja do niewłaściwego wykorzystywania tego materiału w zastosowaniach, w których stop metalu jest nadal najlepszym rozwiązaniem. Węgiel, a zwłaszcza żywica, nie toleruje wysokich temperatur, osłon termicznych, elementów układu wydechowego ani żadnych innych części silnika. Gdy w tych przypadkach jako materiał wyjściowy wybiera się węgiel, warunki pracy muszą być bardzo dokładnie ocenione. Istnieją żywice żaroodporne, ale ich zakres jest nadal ograniczony.

odporność na uderzenia

Carbon chwali się, że ta (już chwytliwa) fraza w pełni odpowiada jego istocie: im lżejsze aluminium, tym mocniejsza stal. Chociaż to prawda, ważne jest, aby zrozumieć, że mówimy o wytrzymałości na rozciąganie, a nie o sztywności lub sztywności. Z inżynierskiego punktu widzenia „wytrzymałość” jest terminem technicznym odnoszącym się do odporności na ścieranie, ponieważ kompozyt ten jest wzmocniony warstwowym poliestrem, którego odporność na uderzenia jest niska. A nawet uderzenie w słaby punkt może prowadzić do łuszczenia się, a ostatecznie do uszkodzenia materiału. Z tego powodu karbon nie może być używany do wytwarzania odpornych na zużycie lub wielokrotnego użytku płyt bazowych siodeł o zadowalającej jakości, do produkcji różnych elementów zawieszenia lub jakichkolwiek innych części, które działają w warunkach maksymalnego obciążenia.

Przewodność

Węgiel jest materiałem przewodzącym! Czysty węgiel sam w sobie jest niezwykle wydajny w przenoszeniu ciepła. Na przykład maska samochodu wykonana z karbonu może bardzo szybko nagrzewać się na słońcu do kilkuset stopni. Promienie UV mogą uszkodzić kompozyt, nadać mu żółty odcień lub spowodować pękanie żywicy, więc wypaczenie jest częstą wadą. W przemyśle lotniczym wiele części z włókna węglowego jest pomalowanych na błyszczącą biel, ponieważ ciepło generowane przez promieniowanie UV może deformować ramę, negatywny wpływ na właściwości aerodynamiczne. Ponadto promienie UV mogą w jakiś sposób zmienić konstrukcję samolotu.

Węgiel jest również materiałem przewodzącym prąd elektryczny. Możesz być zdezorientowany tym, jak kompozyt na bazie tworzywa sztucznego może nagle stać się przewodnikiem elektrycznym, ale czysta tkanina węglowa „przeciera” swoistą ścieżkę dla elektryczności, nawet jeśli węgiel jest wzbogacony izolującym polimerem. Wybierając karbon jako powierzchnię dla elektroniki lub jako osłonę wentylatora chłodzącego, upewnij się, że istnieje połączenie z masą, które nie powinno „przechodzić” przez karbon. Anegdota z życia: byliśmy kiedyś świadkami pożaru, który omal nie wybuchł w silniku właściciela ciężarówki Geiser Trophy, bo po prostu nie wierzył, że węgiel jest materiałem przewodzącym, a pożar żywicy nie jest dla was żartem.

Praca z węglem

Jeśli włókno szklane miało kiedykolwiek kontakt z twoją skórą, to wiesz, jak drażniące są te cząsteczki, niewidoczne dla oka. A węgiel jest znacznie gorszy! Unikaj dotykania gołymi rękami rozdartych krawędzi włókna węglowego i posiekanego włókna.

Zamawiając tkaninę węglową, należy upewnić się, że jest ona dostarczana w rolkach, takich jak papier do pakowania. Składany węgiel będzie miał fałdy, w wyniku czego integralność strukturalna jego karbowanych włókien zostanie naruszona. Postępuj zgodnie z tymi instrukcjami podczas pracy z materiałem i utrzymuj tkaninę w czystości, aby uniknąć kurzu i tłustych odcisków palców, zapewniając jednocześnie jak najlepsze dopasowanie. Konieczne jest mieszanie żywicy w małych pojemnikach, co jest normą. Uważaj, żywicy nie wolno mieszać w pojemnikach pokrytych woskiem. Wosk reaguje z żywicami, powodując twardnienie żywicy. Krzepnięcie żywicy jest reakcją egzotermiczną, co oznacza, że ciepło jest wstrzykiwane jako produkt uboczny w wyniku Reakcja chemiczna. Podczas mieszania dużych ilości żywicy, upewnij się, że nadmiar żywicy nie znajduje się w obszarze przechowywania materiałów palnych, w przeciwnym razie istnieje wysokie ryzyko pożaru.

Wniosek

Ilość podstawowej wiedzy, której nawet nie poruszyliśmy w tym artykule, jest po prostu ogromna. Ale mamy nadzieję, że przegląd ogólny pomógł ci lepiej zrozumieć, czym jest węgiel. Jest to niezwykle wszechstronny i trwały materiał, jeśli obchodzi się z nim ostrożnie. Ale jeśli jest używany niewłaściwie, staje się prawdziwym cierniem w oku. Tworzenie prostych części w domu nie jest trudne, ale przygotuj się na poświęcenie trochę więcej czasu na pracę w porównaniu z włóknem szklanym. Rozważ wszystko w swoim projekcie - cele, budżet. I dopiero wtedy zdecyduj, czy węgiel jest właściwy wybór czy po prostu chcesz dodać estetykę swojemu samochodowi?

Dane zaczerpnięte ze strony: tourerv.ru

Wiadomo, że solidny wskaźnik wytrzymałości na rozciąganie w stosunku do własnej wagi, jaką ma włókno węglowe, jest wyjątkowym osiągnięciem materiału i otwiera jasne perspektywy zastosowania w gospodarce narodowej. Zastosowanie węgla w nowoczesnym budownictwie nie było jeszcze szeroko stosowane, chociaż obecnie węgiel nie jest trudny do kupienia. Ale proste i niezawodne metody aplikacji zapowiadają się długo.

Włókno węglowe

Pierwsza produkcja włókien węglowych w wyniku pirolizy włókna wiskozowego i zastosowanie włókien ciągłych została opatentowana przez Edisona pod koniec XVIII wieku.

Wzrost zainteresowania włóknem pojawił się w XX wieku w wyniku poszukiwań materiału na komponenty kompozytowe do produkcji silników rakietowych i lotniczych.

Pod względem właściwości: żaroodporności i właściwości termoizolacyjnych, a także odporności na korozję, włókno węglowe nie dorównywało.

Charakterystyka pierwszych próbek włókien poliakrylonitrylowych (PAN) nie była wysoka, ale ulepszenie technologii umożliwiło uzyskanie włókien węglowodorowych o wytrzymałości włókna węglowego 2070 MPa i module sprężystości 480 GPa.

Obecnie włókno węglowe lub włókno węglowe ma szerokie zastosowanie w budownictwie:

do systemu zbrojenia zewnętrznego
do naprawy konstrukcji nośnych magazynów i mostów, budynków przemysłowych i mieszkalnych.

Stosowanie produktów z włókna węglowego daje możliwość prowadzenia prac budowlanych w porównaniu z istniejące sposoby odbudowa lub wzmocnienie, szybko i sprawnie.

Ale opowieść o osiągnięciach węgla byłaby niepełna, gdyby nie wspomnieć o jego wykorzystaniu w produkcji części lotniczych.

Osiągnięcia krajowych producentów samolotów są zdrową konkurencją dla Mitsubishi Heavy Industries, produkującego części do Boeinga 787.

Produkcja wyrobów z materiałów polimerowych

Materiał polimerowy - węgiel to nitka drobnowłóknista o średnicy od 5 do 15 mikronów, utworzona z atomów węgla i połączona w mikrokryształy. To właśnie wyrównanie podczas orientacji kryształów zapewnia nitkom dobrą wytrzymałość i rozciągliwość, niewielkie środek ciężkości i współczynnik rozszerzalności cieplnej, obojętność chemiczna.

Procesy produkcyjne otrzymywania włókien PAN związane są z technologią autoklawową i późniejszą impregnacją w celu wzmocnienia żywicą. Włókno węglowe jest impregnowane tworzywem sztucznym (prepreg) i impregnowane płynnym tworzywem sztucznym, wzmacniając włókna pod ciśnieniem.

Zgodnie z właściwościami fizycznymi włókno węglowe dzieli się na typy:

wysokowytrzymałe włókna węglowe (skład 12000 włókien ciągłych)
karbonizowane włókna węglowe ogólnego przeznaczenia (skręcona nić z 2 lub więcej włókien o długości do 100 mm).

Konstrukcje z włókna węglowego wzmocnione produktami materiałowymi zmniejszają wagę konstrukcji o 30%, a obojętność chemiczna pozwala na zastosowanie tkanin węglowych jako filtra przy oczyszczaniu agresywnych cieczy i gazów z zanieczyszczeń.

W tym filmie przedstawiono produkcję włókna węglowego.

Asortyment produktów z włókna węglowego

tkaniny węglowe

Głównym produktem wykonanym z wysokomodułowego włókna węglowego jest tkanina węglowa (węglowa) o grubości 1,6 - 5,0 mm, posiadająca tkaną strukturę o splocie płóciennym o gęstości od 520 do 560 g/m².

Tkaniny węglowe o zerowym współczynniku rozszerzalności liniowej są wysoce odporne na odkształcenia i korozję.

Cechy standardowych tkanin węglowych to:

Parametry tkanin węglowych to:

szerokość wstęgi 1000-2000mm
zawartość węgla 98,5%
gęstość 100-640 g/m2
grubość 0,25-0,30 mm.

Oprócz tkanin węglowych głównymi produktami z włókna wysokomodułowego są wstążki i sznurki.

Wyróżnia się następujące rodzaje splotów tkanin węglowych, które w pewnym stopniu wpływają na mobilność produktu:

bielizna splot stworzony przez przeplatanie każdej nici osnowy nitką wątku 1/1, co zapewnia lepszą wytrzymałość i ruch tkaniny
satyna splot, w którym jedna nitka wątku przeplata 4-5 nitek osnowy, zmniejszając możliwość silnego wyginania się tkaniny
diagonal splot, w którym ta sama liczba nitek osnowy jest pokryta tą samą liczbą nitek wątku.

Przykładem możliwości splotu skośnego jest wielokolorowa tkanina węglowa. Wielokolorowa tkanina węglowa jest z powodzeniem stosowana do tworzenia odzieży z kevlaru oraz rzeczy higroskopijnych i oddychających. Kevlar wykonany z nici technicznych o różnej gęstości i strukturze wkroczył już do codziennego życia przemysłu samochodowego i wojskowego, wypierając włókna szklane i stal.

Zalety włókna węglowego są wyraźnie wyrażone w produktach wykonanych z karbonizowanego włókna węglowego.

produkty z włókna węglowego

Asortyment produktów wykonanych z włókna karbonizowanego jest bardziej rozszerzony i jest reprezentowany przez:

tkanina węglowa karbonizowana RK-300 (zamiennik tkaniny szklanej)
tkanina z jednostronną powłoką aluminiową RK-300AF (ulepszone właściwości dzięki ekranowi termicznemu pozwalają na zastosowanie włókna węglowego jako termoizolacyjnego materiału do owijania)
karbonowe tkaniny konstrukcyjne 1k, 3k, 6k, 12k, 24k, 48k
karbonizowane opaski i sznurki.

Tkane płótno wykonane z włókna węglowego lub karbonizowanego spełnia doskonałe funkcje wzmacniające, niezależnie od rodzaju wypełniacza.

Ponadto ekrany pochłaniające EMP, termopary i elektrody, a także produkty inżynierii radiowej są wykonane z włókien karbonizowanych.

produkcja basenów ze wzmocnieniem węglowym

W produkcji basenów ze wzmocnieniem węglowym technologia obejmuje etap dodawania do warstwy ceramicznej wzmocnienia węglowego, balsy drzewnej oraz spienionego kauczuku. Podstawą do stworzenia podwójnej ramy niecki basenowej ze wzmocnieniem węglowym były skonstruowane wykresy obciążeń i dopuszczalnych naprężeń na materiale.

Wnioskujemy, że rosnąca popularność wykorzystania włókna węglowego w przyszłości będzie w stanie wypierać z rynku materiały wzmacniające.

CFRP to wielowarstwowy materiał kompozytowy, który jest siecią włókien węglowych w powłoce z termoutwardzalnych żywic polimerowych (zwykle epoksydowych), polimeru wzmocnionego włóknem węglowym.

Międzynarodowa nazwa Carbon to węgiel, z którego otrzymuje się włókna węglowe.

Ale obecnie włókna węglowe obejmują wszystko, w czym bazą nośną są włókna węglowe, ale spoiwo może być inne. Włókno węglowe i włókno węglowe połączone w jeden termin, wprowadzający zamęt w umysły konsumentów. Oznacza to, że włókno węglowe lub węglowe to jedno i to samo.

Jest to innowacyjny materiał, którego wysoki koszt wynika z pracochłonnego procesu technologicznego i jednocześnie dużego udziału pracy ręcznej. Wraz z usprawnieniem i automatyzacją procesów produkcyjnych cena węgla spadnie. Na przykład: koszt 1 kg stali to mniej niż 1 dolar, 1 kg włókna węglowego wyprodukowanego w Europie kosztuje około 20 dolarów. Obniżenie kosztów jest możliwe tylko dzięki pełnej automatyzacji procesu.

Zastosowanie węgla

Włókno węglowe zostało pierwotnie opracowane dla przemysłu samochodów sportowych i technologii kosmicznej, ale ze względu na doskonałe właściwości użytkowe, takie jak niska waga i wysoka wytrzymałość, stało się powszechne w innych branżach:

w przemyśle lotniczym
na sprzęt sportowy: kije, kaski, rowery.
wędki,
technologia medyczna itp.

Elastyczność tkaniny węglowej, możliwość jej wygodnego krojenia i cięcia, a następnie impregnacja żywicą epoksydową pozwalają na formowanie wyrobów węglowych o dowolnym kształcie i rozmiarze, w tym niezależnie. Powstałe półfabrykaty można szlifować, polerować, malować i drukować fleksograficznie.

Charakterystyka techniczna i właściwości węgla

Popularność CFRP wynika z jego unikalnych właściwości użytkowych, które uzyskuje się poprzez połączenie materiałów o zupełnie różnych właściwościach w jeden kompozyt – tkaninę węglową jako bazę nośną i jako spoiwo.

Elementem wzmacniającym wspólnym dla wszystkich rodzajów włókna węglowego są włókna węglowe o grubości 0,005-0,010 mm, które świetnie pracują na rozciąganie, ale mają niską wytrzymałość na zginanie, czyli są anizotropowe, mocne tylko w jednym kierunku, więc ich stosowanie jest uzasadnione tylko w formie sieci.

Dodatkowo wzmocnienie można wykonać gumą, która nadaje karbonowi szary odcień.

Włókno węglowe lub węglowe charakteryzuje się dużą wytrzymałością, odpornością na zużycie, sztywnością i niską wagą w porównaniu do stali. Jego gęstość wynosi od 1450 kg/m³ do 2000 kg/m³. Właściwości techniczne włókna węglowego można zobaczyć w gęstości, temperaturze topnienia i właściwościach wytrzymałościowych.

Kolejnym elementem używanym do wzmocnienia wraz z włóknami węglowymi jest. Są to te same żółte nitki, które można zobaczyć w niektórych odmianach włókna węglowego. Niektórzy pozbawieni skrupułów producenci przepuszczają kolorowe włókna szklane, barwione włókna wiskozowe, polietylenowe jako Kevlar, których przyczepność z żywicami jest znacznie gorsza niż włókna węglowego, a wytrzymałość na rozciąganie jest kilkakrotnie mniejsza.

Kevlar to amerykańska marka dla klasy polimerów aramidowych spokrewnionych z poliamidami, lavsan. Ta nazwa stała się już powszechnie znana dla wszystkich włókien tej klasy. Wzmocnienie zwiększa odporność na obciążenia zginające, dzięki czemu jest szeroko stosowane w połączeniu z włóknem węglowym.

Jak powstaje włókno węglowe

Włókna, składające się z najdrobniejszych włókien węglowych, uzyskuje się przez obróbkę cieplną w powietrzu, czyli utlenianie, nici polimerowych lub organicznych (poliakrylonitryl, fenol, lignina, wiskoza) w temperaturze 250 ° C przez 24 godziny, czyli , praktycznie przez ich zwęglenie. Tak wygląda włókno węglowe pod mikroskopem po zwęgleniu.

Po utlenieniu następuje karbonizacja – podgrzewanie włókna w azocie lub argonie w temperaturach od 800 do 1500 °C w celu zbudowania struktur podobnych do cząsteczek grafitu.

Następnie grafityzacja (nasycenie węglem) odbywa się w tym samym medium w temperaturze 1300-3000 °C. Proces ten można powtórzyć kilkakrotnie, oczyszczając włókno grafitowe z azotu, zwiększając stężenie węgla i wzmacniając je. Im wyższa temperatura, tym mocniejsze włókno. Dzięki tej obróbce stężenie węgla we włóknie wzrasta do 99%.

Rodzaje włókien węglowych. płótno

Włókna mogą być krótkie, cięte, ichnazywa„zszyte”, a na szpulkach mogą znajdować się ciągłe nitki.Mogą to być pakuły, przędza, niedoprzęd, z których następnie wykonuje się tkaniny i włóknina i wstążki. Czasami włókna układane są w matrycy polimerowej bez splątania (UD).

Ponieważ włókna działają świetnie na rozciąganie, ale są słabe w zginaniu i ściskaniu, idealnym zastosowaniem włókna węglowego jest użycie go jako tkaniny węglowej.

Uzyskuje się go poprzez różne rodzaje tkania: jodełkę, matowanie itp., które noszą międzynarodowe nazwy Plain, Twill, Satin. Czasami włókna są po prostu przecinane w poprzek dużymi szwami, zanim zostaną wypełnione żywicą. Dobrze dla CFRP na Specyfikacja techniczna włókno i splot są bardzo ważne dla uzyskania wysokiej jakości węgla.

Jako podłoże najczęściej stosuje się je, w których tkaninę układa się warstwami, ze zmianą kierunku tkania, aby równomiernie rozłożyć właściwości mechaniczne zorientowanych włókien. Najczęściej 1 mm grubości arkusza włókna węglowego zawiera 3-4 warstwy.

Zalety i wady włókna węglowego

Wyższa cena węgla w porównaniu do włókna szklanego i włókna szklanego wynika z bardziej złożonej, energochłonnej wielostopniowej technologii, droższych żywic i droższego sprzętu (autoklaw). Ale uzyskuje się również wyższą wytrzymałość i elastyczność wraz z wieloma innymi niezaprzeczalnymi zaletami:

40% lżejszy od stali, 20% lżejszy od aluminium (1,7 g/cm3 - 2,8 g/cm3 - 7,8 g/cm3),
węgiel i kevlar węgiel jest trochę cięższy niż węgiel i guma, ale znacznie mocniejszy, a przy uderzeniu pęka, kruszy się, ale nie rozpada się na kawałki,
odporność na wysokie temperatury: węgiel zachowuje swój kształt i właściwości do temperatury 2000 ○С.
posiada dobre właściwości tłumiące drgania i pojemność cieplną,
odporność na korozję,
wysoka wytrzymałość na rozciąganie i wysoka wytrzymałość na rozciąganie,
estetyka i dekoracja.

Ale w porównaniu do części metalowych i z włókna szklanego, części węglowe mają wady:

wrażliwość na uderzenia punktowe,
złożoność odbudowy z odpryskami i rysami,
blaknące, blaknące pod wpływem promieni słonecznych, lakierowane lub emaliowane dla ochrony,
długi proces produkcyjny
w miejscach kontaktu z metalem zaczyna się korozja metalu, dlatego w takich miejscach mocowane są wkładki z włókna szklanego,
złożoność recyklingu i ponownego użycia.

Jak powstaje węgiel

Istnieją następujące główne metody wytwarzania produktów z włókna węglowego.

1. Prasowanie lub metoda „na mokro”

Płótno układane jest w formie i impregnowane żywicą epoksydową lub poliestrową. Nadmiar żywicy jest usuwany przez formowanie próżniowe lub pod ciśnieniem. Produkt jest usuwany po polimeryzacji żywicy. Proces ten może zachodzić w sposób naturalny lub przyspieszony przez ogrzewanie. Z reguły w wyniku takiego procesu otrzymuje się arkuszowe włókno węglowe.

2. Odlewanie

Model produktu (matryca) wykonany jest z gipsu, alabastru, pianki poliuretanowej, na którą układana jest tkanina impregnowana żywicą. Podczas walcowania wałkami kompozyt jest zagęszczany, a nadmiar powietrza usuwany. Następnie przeprowadzana jest albo przyspieszona polimeryzacja i utwardzanie w piecu, albo naturalna. Metoda ta nazywana jest „suchą” a produkty z niej są mocniejsze i lżejsze niż te wykonane metodą „na mokro”. Powierzchnia produktu wykonana metodą „na sucho” jest użebrowana (jeśli nie była lakierowana).

W tej kategorii znajdują się również formowanie z wykrojów - prepregów.

Żywice, zgodnie z ich zdolnością polimeryzacji wraz ze wzrostem temperatury, dzielą się na „zimne” i „gorące”. Te ostatnie wykorzystywane są w technologii prepregów, gdzie półfabrykaty powstają w postaci kilku warstw włókna węglowego pokrytego żywicą. W zależności od marki żywicy, mogą być przechowywane do kilku tygodni w stanie niespolimeryzowanym, przełożone folią polietylenową i przepuszczane między rolkami w celu usunięcia pęcherzyków powietrza i nadmiaru żywicy. Czasami prepregi są przechowywane w lodówkach. Przed formowaniem produktu przedmiot obrabiany jest podgrzewany, a żywica ponownie staje się płynna.

3. Uzwojenie

Nić, taśma, tkanina są nawijane na cylindryczny półfabrykat do produkcji rur węglowych. Żywicę nakłada się warstwami za pomocą pędzla lub wałka i suszy, najlepiej w piecu.

We wszystkich przypadkach powierzchnia aplikacji jest smarowana środkami antyadhezyjnymi w celu łatwego usunięcia powstałego produktu po utwardzeniu.

Czy można zrobić włókno węglowe własnymi rękami?

Produkty na bazie włókna węglowego można formować samodzielnie, co od dawna z powodzeniem stosuje się w naprawie rowerów, sprzętu sportowego, tuningu samochodów. Możliwość eksperymentowania z wypełniaczami do żywicy, ze stopniem jej przezroczystości, daje szerokie pole do kreatywności fanom tuningu samochodów z użyciem węgla. Możesz przeczytać więcej o głównych metodach produkcji części z włókna węglowego.

Jak wynika z opisanej powyżej technologii, do formowania konieczne jest:

kształt matrycy,
tkanina węglowa,
smar do formy ułatwiający wyjmowanie gotowego detalu,
żywica.

Skąd wziąć włókno węglowe? Tajwan, Chiny, Rosja. Ale w Rosji odnosi się to do „wytrzymałych tkanin konstrukcyjnych opartych na włóknie węglowym”. Jeśli znajdziesz drogę do przedsiębiorstwa, masz szczęście. Wiele firm oferuje zestawy "Zrób to sam" do wykończenia z włókna węglowego samochodów i motocykli, w tym fragmenty włókna węglowego i żywicy.

70% światowego rynku tkanin węglowych jest produkowane przez główne marki tajwańskie i japońskie: Mitsubishi, TORAY, TOHO, CYTEC, Zoltec itp.

Ogólnie proces wytwarzania włókna węglowego własnymi rękami wygląda tak:

Forma jest nasmarowana środkiem antyadhezyjnym.
Po wyschnięciu nakładana jest cienka warstwa żywicy, na którą zwija się lub dociska tkaninę węglową w celu uwolnienia pęcherzyków powietrza.
Następnie nakładana jest kolejna warstwa żywicy impregnującej. Istnieje możliwość nałożenia kilku warstw tkaniny i żywicy w zależności od wymaganych parametrów produktu.
Żywica może polimeryzować w powietrzu. Zwykle dzieje się to w ciągu 5 dni. Obrabiany przedmiot można umieścić w szafce grzewczej rozgrzanej do temperatury 140 - 180 ◦ C, co znacznie przyspieszy proces polimeryzacji.

Następnie produkt jest wyjmowany z formy, szlifowany, polerowany, lakierowany, żelkotowy lub malowany.

Mamy nadzieję, że znalazłeś wyczerpującą odpowiedź na pytanie „Co to jest węgiel”?

Irina Chimich, konsultant techniczny

Spośród wszelkiego rodzaju tworzyw sztucznych i kompozytów opracowanych przez technologów chemicznych szczególne miejsce we współczesnym świecie zajmuje węgiel (włókno węglowe) - materiał oparty na najcieńszych włóknach węglowych. Jest o 75% lżejszy od żelaza i 30% lżejszy od aluminium, a jednocześnie ma czterokrotnie większą wytrzymałość na rozciąganie niż najlepsze gatunki stali.
Same nici węglowe są dość kruche, dlatego utkane są z nich elastyczne i elastyczne panele. Po dodaniu do nich spoiw polimerowych otrzymuje się tworzywa z włókna węglowego, które dokonały prawdziwej rewolucji w sporcie, technologii i wielu innych dziedzinach ludzkiej działalności.

Na drogach, na niebie i na morzu

Najbardziej znanym zastosowaniem węgla jest przemysł motoryzacyjny. Na początku jego wybitne połączenie wytrzymałości i lekkości przyciągnęło uwagę projektantów bolidu Formuły 1, co znacznie zmniejszyło masę samochodów wyścigowych. John Bernard, inżynier brytyjskiego producenta samochodów McLaren, po raz pierwszy wykonał części karoserii z włókna węglowego na początku lat 80. XX wieku. Dało to tak zauważalny wzrost prędkości, że natychmiast doprowadziło zespół wyścigowy McLarena do nagród.

Jednak prawo do bycia najszybszym jest bardzo kosztowne ze względu na fakt, że wszystkie części z włókna węglowego są w rzeczywistości wykonywane ręcznie. Tkanina węglowa o specjalnym splocie jest układana w formach, a następnie łączona związkami polimerowymi. Na finałowy etap jest przetwarzany w wysokiej temperaturze i ciśnieniu. Dlatego przez długi czas karbonowe elementy karoserii były używane tylko w supersamochodach i modelach premium. Dopiero niedawno ogłoszono premierę masowo produkowanych modeli z częściami z włókna węglowego dostępnych dla szerokiego grona odbiorców. Tak więc w konstrukcji nadwozia nowego BMW i3 szeroko będą reprezentowane elementy wykonane z włókna węglowego. I w Nowa wersja hatchback Volkswagen Golf GTI VII dzięki masce i dachowi z włókna węglowego udało się jednorazowo zmniejszyć masę auta o 200 kg!

Materiały na bazie węgla są jeszcze szerzej stosowane w przemyśle lotniczym, gdzie zaczęły zastępować tradycyjne aluminium i tytan. Projektanci samolotów pracujący w przemyśle obronnym jako pierwsi ocenili perspektywy. Na przykład najnowsze rosyjskie myśliwce Su-47 i T-50 wykorzystują elementy skrzydeł i kadłuba z włókna węglowego.

Włókno węglowe jest również coraz częściej stosowane w samolotach pasażerskich, gdzie może zmniejszyć zużycie paliwa i zwiększyć ładowność. Tym samym w Boeingu 787 Dreamliner co najmniej 50% elementów kadłuba wykonano z materiałów kompozytowych na bazie węgla, dzięki czemu zużycie paliwa jest mniejsze o 20%. W tym samym celu największy samolot pasażerski, Airbus A380, został wyposażony w skrzydła wykonane w 40% z włókna węglowego. A kadłub nowoczesnego odrzutowca biznesowego Hawker 4000 jest prawie w całości wykonany z tego materiału!

Włókno węglowe jest nie mniej aktywnie wykorzystywane w przemyśle stoczniowym. Powód popularności jest ten sam: wyjątkowy stosunek wytrzymałości do masy, niezbędny w trudnych warunkach morskich. Ponadto stoczniowcy cenią sobie odporność na uderzenia i korozję tego materiału.

Jak zwykle, jako pierwsze w sektorze obronnym zastosowano włókno węglowe. Elementy kadłuba okrętu podwodnego są wykonane z kompozytów węglowych, ponieważ znacznie redukują hałas i mają efekt ukrycia, dzięki czemu okręt jest „niewidoczny” dla radarów wroga. A w szwedzkich korwetach typu Visbi kadłub i nadbudówki wykonane są z kompozytów węglowych w technologii stealth. Zastosowano wielowarstwowy materiał z podstawą PCV, która jest pokryta specjalną tkaniną splotową wykonaną z włókien węglowych. Każda taka uprząż pochłania i rozprasza fale radiowe z radarów, uniemożliwiając wykrycie statku.

W przypadku statków cywilnych niewidzialność radarowa nie jest potrzebna, ale bardzo popularne okazały się lekkość, wytrzymałość i możliwość wykonania części o niemal dowolnej konfiguracji. Najczęściej karbon stosowany jest w budowie jachtów sportowych i rekreacyjnych, gdzie ważne są parametry prędkości.

Elementy przyszłego statku są „formowane” z płócien z włókna węglowego według modelu komputerowego, jak z plasteliny. Po pierwsze, pełnowymiarowy układ pokładu i kadłuba wykonany jest ze specjalnego plastiku modelarskiego. Następnie, według tych wzorów, panele z tkaniny węglowej, mocowane żywicami epoksydowymi, są ręcznie sklejane warstwami. Po wyschnięciu gotowy korpus jest piaskowany, malowany i lakierowany.

Są jednak bardziej nowoczesne sposoby. Na przykład włoskiej firmie Lanulfi udało się prawie całkowicie zautomatyzować ten proces. Duże elementy konstrukcyjne statku za pomocą modelowania 3D rozbijane są na mniejsze, ale idealnie do siebie dopasowane części. W oparciu o model komputerowy, za pomocą maszyny sterowanej programowo, wykonuje się bazy, które służą jako matryce do klejenia części z włókna węglowego. Takie podejście pozwala na osiągnięcie maksymalnej dokładności, co jest bardzo ważne dla właściwości jezdnych jachtów sportowych.

Węgiel dla każdego

Węgiel zaczyna być coraz częściej stosowany w budownictwie. Dodanie włókien węglowych do betonu sprawia, że jest on znacznie bardziej odporny na wpływy zewnętrzne. W rzeczywistości uzyskuje się wytrzymały monolit o bardzo gęstej powierzchni. Technologia ta jest wykorzystywana przy budowie wieżowców i zapór, a także przy budowie tuneli.

Warto wspomnieć o materiałach do wzmacniania, naprawy i renowacji powierzchni żelbetowych - specjalnych płótnach i płytach z tkaniny węglowej (np. Mapewrap lub Carboplate). Pozwalają na całkowite odtworzenie konstrukcji bez uciekania się do drogiego i nie zawsze możliwego uzupełniania.

Dla dużych deweloperów i prywatnych deweloperów szczególnie interesująca jest taka innowacja, jak zastosowanie węgla w systemie tynków do izolacji elewacji.

Odniesienie

„Dodanie najmniejszych włókien węglowych o średnicy poniżej 15 mikronów do kompozycji wzmacniającej prowadzi do bardzo ważnego rezultatu – wielokrotnego zwiększenia odporności elewacji na uderzenia” – mówi Roman Ryazantsev, kierownik projektu w firmie CAPAROL, ekspert w zakresie ochrony i izolacji termicznej elewacji budynków. „W szczególności dodatek węgla w systemie tynków CAPATECT Carbon (Caparol) pozwala elewacji wytrzymać uderzenia o energii do 60 dżuli bez szkód – to dziesięć razy więcej niż mogą wytrzymać konwencjonalne elewacje”.

Jeśli właściciel domku zdecyduje się zastosować taki system do dekoracji zewnętrznej swojego domu, nie tylko obniży koszty ogrzewania i zapewni korzystny mikroklimat w pomieszczeniach, ale także ochroni ściany przed wszelkimi wpływami mechanicznymi. Duży grad łamie siding winylowy i pozostawia wgniecenia w zwykłym piaskowym tynku. Ulewny wiatr niosący ze sobą gruz i gałęzie drzew może również uszkodzić fasadę. Ale na wykończeniu z dodatkiem włókien węglowych nie będzie śladu. Co więcej, nie boi się takich codziennych wpływów jak uderzanie piłki czy krążka w dziecięcych zabawach.

„Zwykle, aby chronić piwnicę elewacji przed przypadkowym uszkodzeniem, stosuje się okładzinę kamienną, na przykład kamionkę porcelanową”, mówi Daniił Mazurow, kierownik działu sprzedaży hurtowej moskiewskiej firmy budowlano-handlowej PKK Interstroytechnologii. – Ale żeby dokończyć podpiwniczoną część osiedla, która jest obecnie budowana na południu Moskwy, postanowiliśmy wypróbować system tynków z włóknem węglowym. W testach porównawczych pokazał bardzo imponujące wyniki.”

Vadim Pashchenko, szef oddziału WDVS moskiewskiego oddziału regionalnego firmy CAPAROL, wymienia kolejną cenną konsekwencję zastosowania elementów wzmacniających z włóknami węglowymi w systemie tynku: elewacja staje się odporna na odkształcenia temperaturowe. Dla architektów i właścicieli prywatnych domów oznacza to całkowitą swobodę w wyrażaniu siebie - możesz pomalować ściany domu na dowolny z najciemniejszych i najbardziej nasyconych kolorów. Przy tradycyjnym tynku cementowo-piaskowym takie eksperymenty mogą się niestety skończyć. Ciemna powierzchnia ściany zbyt szybko nagrzewa się pod wpływem promieni słonecznych, co prowadzi do powstawania pęknięć na zewnętrznej warstwie ochronnej i dekoracyjnej. Ale w przypadku systemu fasadowego z włóknami węglowymi ten problem nie istnieje.

Teraz w całej Europie zaczynają się wyróżniać na ogólnym tle prywatne domki i obiekty handlowe, szkoły i przedszkola, którym pomogło nabrać wyrazistej i bogatej kolorystyki. Ponieważ rosyjscy prywatni właściciele domów zaczynają eksperymentować z kolorami elewacji, odchodząc od tradycyjnych pastelowych odcieni, ta innowacyjna technologia staje się popularna również w naszym kraju.

Następna generacja

Obecnie nie można sobie wyobrazić przemysłu high-tech bez włókna węglowego. Staje się coraz bardziej dostępny dla zwykłych ludzi. Teraz możemy kupić narty z włókna węglowego, deski snowboardowe, buty górskie, wędki spinningowe oraz rowery, kaski i inny sprzęt sportowy.

Ale już teraz zastępuje go nowa generacja materiałów – nanorurki węglowe, które są dziesięciokrotnie mocniejsze od stali i mają wiele innych cennych właściwości.

Schematyczne przedstawienie nanorurki

Tak więc kanadyjski producent odzieży Garrison Bespoke opracował męski garnitur, który jest wykonany z tkaniny na bazie nanorurek węglowych. Taka tkanina zatrzymuje kule do kalibru .45 i chroni przed ranami kłutymi. Jest również o 50% lżejszy od Kevlaru, syntetycznego materiału używanego do produkcji kamizelek kuloodpornych. Takie garnitury z pewnością staną się modne wśród biznesmenów i polityków.

Jednym z najbardziej fantastycznych zastosowań nanorurek węglowych jest winda kosmiczna, która pozwoli dostarczać ładunek na orbitę bez kosztownych i niebezpiecznych startów rakiet. Jego podstawą powinien być wytrzymały kabel rozciągnięty z powierzchni planety do stacji kosmicznej znajdującej się na orbicie geostacjonarnej na wysokości 35 000 km nad Ziemią.

Pomysł ten został zaproponowany przez wielkiego rosyjskiego naukowca Konstantina Ciołkowskiego w 1895 roku. Ale do tej pory projekt wydawał się niewykonalny ze względów technicznych, ponieważ nie było znanych materiałów, z których można by wykonać tak mocny kabel. Jednak odkrycie nanorurek węglowych na początku lat 90. zmuszony do ponownego rozważenia granic możliwości. Nić o grubości milimetra utkana z nanorurek węglowych jest w stanie wytrzymać obciążenie około 30 ton. Oznacza to, że tania i bezpieczna podróż na orbitę w kabinie kosmicznej windy z bajki staje się praktycznym zadaniem dla inżynierów.