Углеродные армированные полимеры (американский английский), углеродные армированные полимеры (английский Содружества), углеродные армированные пластики, углеродные армированные термопластики (CFRP, CRP, CFRTP), также известные как углеродное волокно, углеродный композит или просто углерод, являются чрезвычайно прочными и легкими армированными волокнами пластиками, которые содержат углеродные волокна. Углеродные армированные пластики могут быть дорогими в производстве, но обычно используются там, где требуется высокое отношение прочности к весу и жесткость (жесткость), например, в аэрокосмической промышленности, надстройках судов, автомобилестроении, гражданском строительстве, спортивном оборудовании и во все большем количестве потребительских и технических приложений.
Связующим полимером часто является термореактивная смола, такая как эпоксидная смола, но иногда используются и другие термореактивные или термопластичные полимеры, такие как полиэстер, виниловый эфир или нейлон. На свойства конечного продукта из углепластика может влиять тип добавок, вносимых в связующую матрицу (смола). Наиболее распространенной добавкой является диоксид кремния, но можно использовать и другие добавки, такие как каучук и углеродные нанотрубки.
Углеродное волокно иногда называют полимером, армированным графитом или полимером, армированным графитовым волокном (GFRP встречается реже, поскольку оно конфликтует со стекловолокном). (волокнистый)-армированный полимер).
Характеристики
Углепластик – это композитный материал. В этом случае композит состоит из двух частей: матрицы и армирования. В углепластике армированием является углеродное волокно, которое обеспечивает его прочность. Матрица обычно представляет собой термореактивный пластик, такой как полиэфирная смола, для скрепления армирующих элементов вместе. Поскольку углепластики состоят из двух отдельных элементов, свойства материала зависят от этих двух элементов.
Армирование придает углепластикам прочность и жесткость, измеряемую напряжением и модулем упругости соответственно. В отличие от изотропных материалов, таких как сталь и алюминий, углепластики обладают свойствами направленной прочности. Свойства углепластика зависят от расположения углеродного волокна и соотношения углеродных волокон по отношению к полимеру. Два разных уравнения, определяющих чистый модуль упругости композитных материалов с использованием свойств углеродных волокон и полимерной матрицы, также могут быть применены к пластикам, армированным углеродным волокном. Уравнение:
справедливо для композиционных материалов, волокна которых ориентированы в направлении приложенной нагрузки. — общий составной модуль, и — объемные доли матрицы и волокна соответственно в композите, а и — модули упругости матрицы и волокон соответственно. Другой крайний случай модуля упругости композита с волокнами, ориентированными поперек приложенной нагрузки, можно найти с помощью уравнения:
Вязкость разрушения углепластиков определяется механизмами: 1) разрывом связи между углеродным волокном и полимерной матрицей, 2) выдергиванием волокна и 3) расслоением между листами углепластика. Типичные углепластики на основе эпоксидной смолы практически не обладают пластичностью, деформация до разрушения составляет менее 0,5%. Хотя углепластики с эпоксидной смолой обладают высокой прочностью и модулем упругости, механика хрупкого разрушения представляет собой уникальные проблемы для инженеров при обнаружении отказов, поскольку отказ происходит катастрофически. Таким образом, недавние усилия по повышению прочности углепластиков включают модификацию существующего эпоксидного материала и поиск альтернативной полимерной матрицы. Одним из таких многообещающих материалов является PEEK, который демонстрирует на порядок большую ударную вязкость при аналогичном модуле упругости и прочности на разрыв. Однако PEEK гораздо сложнее обрабатывать и он дороже.
Несмотря на высокое начальное соотношение прочности к весу, конструктивным ограничением углепластиков является отсутствие определяемого предела выносливости. Теоретически это означает, что нельзя исключать сбой цикла стресса. Хотя сталь и многие другие конструкционные металлы и сплавы имеют заметные пределы усталости или выносливости, сложные режимы разрушения композитов означают, что свойства усталостного разрушения углепластиков трудно прогнозировать и учитывать при проектировании; однако новые исследования пролили свет на влияние воздействия низкой скорости на композиты. Удары на низкой скорости могут сделать полимеры углеродного волокна восприимчивыми к повреждениям. В результате, при использовании углепластиков для критически важных приложений с циклическими нагрузками, инженерам может потребоваться проектировать значительные запасы прочности, чтобы обеспечить соответствующую надежность компонента в течение всего срока его службы.
Воздействие окружающей среды, такое как температура и влажность, может иметь серьезные последствия для композитов на основе полимеров, включая большинство углепластиков. Хотя углепластики демонстрируют превосходную коррозионную стойкость, воздействие влаги в широком диапазоне температур может привести к ухудшению механических свойств углепластиков, особенно на границе раздела матрица-волокно. Хотя сами углеродные волокна не подвергаются воздействию влаги, диффундирующей в материал, влага пластифицирует полимерную матрицу. Это приводит к значительным изменениям свойств, на которые преимущественно влияет матрица углепластика, таких как свойства сжатия, межламинарного сдвига и удара. Эпоксидная матрица, используемая для лопастей вентилятора двигателя, разработана так, чтобы быть непроницаемой для реактивного топлива, смазки и дождевой воды, а внешняя краска на композитных деталях наносится для минимизации повреждений от ультрафиолета.
Углеродные волокна могут вызвать гальваническую коррозию, когда детали из CRP прикреплены к алюминию или мягкой стали, но не к нержавеющей стали или титану.
Пластмассы, армированные углеродным волокном, очень трудно обрабатывать и вызывают значительный износ инструмента. Износ инструмента при обработке углепластика зависит от ориентации волокна и условий обработки в процессе резки. Для снижения износа инструмента при обработке углепластика и пакета углепластика используются различные типы инструментов с покрытием.
Производство
Основным элементом CFRP является углеродная нить; она производится из полимера-предшественника, такого как полиакрилонитрил (ПАН), вискоза или нефтяной пек. Для синтетических полимеров, таких как ПАН или вискоза, прекурсор сначала прядут в нити, используя химические и механические процессы для первоначального выравнивания полимерных цепей таким образом, чтобы улучшить конечные физические свойства готового углеродного волокна. Составы прекурсоров и механические процессы, используемые во время прядения нитей, могут различаться у разных производителей. После вытяжки или прядения полимерные нити нагревают для удаления неуглеродных атомов (карбонизация), получая конечное углеродное волокно. Нити из углеродных волокон могут быть дополнительно обработаны для улучшения эксплуатационных качеств, а затем намотаны на бобины. Из этих волокон создается однонаправленный лист. Эти листы накладываются друг на друга в квазиизотропной укладке, например, 0°, +60° или −60° относительно друг друга.
Из элементарного волокна можно создать двунаправленное тканое полотно, то есть саржу с переплетением 2/2. Процесс изготовления большинства углепластиков варьируется в зависимости от создаваемой детали, требуемой отделки (внешний блеск) и количества деталей, которые будут изготовлены. Кроме того, выбор матрицы может оказать существенное влияние на свойства готового композита.
Многие детали из углепластика состоят из одного слоя углеродной ткани, подкрепленной стекловолокном. Для быстрого создания этих составных деталей используется инструмент, называемый измельчителем. После того как из углеродного волокна создается тонкая оболочка, пистолет-измельчитель разрезает рулоны стекловолокна на короткие отрезки и одновременно распыляет смолу, так что стекловолокно и смола смешиваются на месте. Смола представляет собой либо внешнюю смесь, при которой отвердитель и смола распыляются отдельно, либо внутреннюю смесь, которая требует очистки после каждого использования.
Методы изготовления могут включать в себя следующее:
Молдинг
Одним из методов производства деталей из углепластика является укладка листов ткани из углеродного волокна в форму, придающую форму конечному продукту. Расположение и переплетение волокон ткани выбрано таким образом, чтобы оптимизировать прочностные и жесткостные свойства получаемого материала. Затем форма заполняется эпоксидной смолой и нагревается или отверждается на воздухе. Полученная деталь очень устойчива к коррозии, жесткая и прочная для своего веса. Детали, используемые в менее критических зонах, изготавливаются путем натягивания ткани на форму с предварительно пропитанной эпоксидной смолой (также известной как препрег) или «накрашенной» поверх нее. Высокопроизводительные детали, изготовленные из отдельных форм, часто упаковываются в вакуумные пакеты и/или отверждаются в автоклаве, поскольку даже небольшие пузырьки воздуха в материале снижают прочность. Альтернативой автоклавному методу является использование внутреннего давления с помощью надувных воздушных камер или пенополистирола внутри неотвержденного уложенного углеродного волокна.
Вакуумная упаковка
Для простых изделий, экземпляров которых требуется относительно мало (один или два в день), можно использовать вакуумный пакет. Форму из стекловолокна, углеродного волокна или алюминия полируют и натирают воском, на нее наносят разделительный состав перед нанесением ткани и смолы, затем вакуум натягивают и оставляют в сторону, чтобы позволить изделию затвердеть (затвердеть). Нанести смолу на ткань в вакуумной форме можно тремя способами.
Первый метод — ручной и называется мокрым наложением, когда двухкомпонентная смола смешивается и наносится перед тем, как быть уложенной в форму и помещенной в мешок. Другой метод выполняется путем инфузии, когда сухая ткань и форма помещаются в мешок, в то время как вакуум втягивает смолу через небольшую трубку в мешок, затем через трубку с отверстиями или что-то подобное, чтобы равномерно распределить смолу по ткани. Проволочный ткацкий станок отлично подходит для трубки, требующей отверстий внутри мешка. Оба этих метода нанесения смолы требуют ручной работы для равномерного распределения смолы для получения глянцевой отделки с очень маленькими отверстиями.
Третий метод создания композиционных материалов известен как сухая укладка. Здесь материал из углеродного волокна уже пропитан смолой (препрег) и наносится на форму аналогично клейкой пленке. Затем сборку помещают в вакуум для отверждения. Метод сухой укладки требует наименьшего количества отходов смолы и позволяет получить более легкие конструкции, чем мокрая укладка. Кроме того, поскольку при использовании методов мокрой укладки сложнее удалить большее количество смолы, детали из препрега обычно имеют меньше точечных отверстий. Устранение точечных отверстий с использованием минимального количества смолы обычно требует использования давления в автоклаве для удаления остаточных газов.
Компрессионное формование
Более быстрый метод использует пресс-форму, также известную как ковка из углеродного волокна. Это двухкомпонентная (охватывающая и охватывающая) или составная форма, обычно изготовленная из алюминия или стали, а в последнее время из пластика, напечатанного на 3D-принтере. Компоненты формы спрессовываются вместе, а ткань и смола загружаются во внутреннюю полость, которая в конечном итоге становится желаемым компонентом. Преимущество – скорость всего процесса. Некоторые производители автомобилей, такие как BMW, утверждают, что могут менять деталь каждые 80 секунд. Однако этот метод имеет очень высокую первоначальную стоимость, поскольку формы требуют обработки на станке с ЧПУ очень высокой точности.
Накальная обмотка
Для изготовления деталей сложной или запутанной формы можно использовать намоточную машину для изготовления деталей из углепластика, наматывая нити на оправку или сердечник.
Приложения
Приложения для углепластика включают следующее:
Аэрокосмическая техника
Airbus A350 XWB на 53% состоит из углепластика, включая лонжероны крыла и компоненты фюзеляжа, обогнав Boeing 787 Dreamliner в самолете с самым высоким удельным весом углепластика, составляющим 50%. Это был один из первых коммерческих самолетов, лонжероны крыльев которых были изготовлены из композитных материалов. Airbus A380 был одним из первых коммерческих авиалайнеров, центральная часть крыла которого была изготовлена из углепластика; это первый самолет, имеющий плавно очерченное поперечное сечение крыла вместо того, чтобы крылья были разделены по размаху на секции. Это плавное непрерывное поперечное сечение оптимизирует аэродинамическую эффективность. При этом задняя кромка, задняя переборка, оперение и негерметичный фюзеляж выполнены из углепластика. Однако многие задержки отодвинули сроки поставки заказов из-за проблем с производством этих деталей. Многие самолеты, в которых используются углепластики, столкнулись с задержками с датами поставки из-за относительно новых процессов, используемых для изготовления компонентов из углепластика, тогда как металлические конструкции изучались и использовались на планерах на протяжении десятилетий, и эти процессы относительно хорошо изучены. Постоянной проблемой является мониторинг структурного старения, для которого постоянно исследуются новые методы из-за необычной многокомпонентности и анизотропной природы углепластиков.
В 1968 году вентилятор Hyfil из углеродного волокна находился в эксплуатации на Rolls-Royce Conways модели Vickers VC10, эксплуатируемой BOAC.
Специализированные авиаконструкторы и производители Scaled Composites широко использовали углепластики во всех своих проектах, включая первый частный космический корабль с экипажем Spaceship One. Углепластики широко используются в микроавиационных транспортных средствах (MAV) из-за их высокого соотношения прочности и веса.
Автомобилестроение
Углепластики широко используются в автогонках высокого класса. Высокая стоимость углеродного волокна компенсируется непревзойденным соотношением прочности и веса материала, а малый вес необходим для высокопроизводительных автомобильных гонок. Производители гоночных автомобилей также разработали методы, позволяющие придать деталям из углеродного волокна прочность в определенном направлении, что делает их прочными в направлении, несущем нагрузку, но слабыми в направлениях, где на элемент будет оказываться небольшая нагрузка или она будет отсутствовать вообще. И наоборот, производители разработали всенаправленные переплетения из углеродного волокна, которые обеспечивают прочность во всех направлениях. Этот тип узла из углеродного волокна наиболее широко используется в сборке монокока шасси с «ячейкой безопасности» высокопроизводительных гоночных автомобилей. Первое монококовое шасси из углеродного волокна было представлено в Формуле-1 компанией McLaren в сезоне 1981 года. Он был разработан Джоном Барнардом и в последующие сезоны широко копировался другими командами Формулы-1 из-за дополнительной жесткости, придаваемой шасси автомобилей.
Многие суперкары за последние несколько десятилетий широко использовали углепластик в своем производстве, используя его для изготовления монококовых шасси, а также других компонентов. Еще в 1971 году Citroën SM предлагал дополнительные легкие колеса из углеродного волокна.
Этот материал был с большей готовностью принят производителями небольших объемов, которые использовали его в основном для создания панелей кузова для некоторых своих автомобилей высокого класса, из-за его повышенной прочности и меньшего веса по сравнению с армированным стекловолокном полимером, который они использовали для производства. большую часть своей продукции.
Гражданское строительство
Углепластики стали заметным материалом в приложениях по проектированию конструкций. Изучаемые в академическом контексте на предмет их потенциальных преимуществ в строительстве, углепластики также доказали свою экономическую эффективность в ряде полевых применений, укрепляя бетонные, каменные, стальные, чугунные и деревянные конструкции. Их использование в промышленности может быть либо для модернизации с целью укрепления существующей конструкции, либо в качестве альтернативного армирующего (или предварительно напряженного) материала вместо стали с самого начала проекта.
Модернизация становится все более доминирующим применением материала в гражданском строительстве, и ее применение включает увеличение несущей способности старых конструкций (таких как мосты, балки, потолки, колонны и стены), которые были спроектированы для выдерживания гораздо меньших эксплуатационных нагрузок, чем они испытывают сегодня, сейсмическую модернизацию и ремонт поврежденных конструкций. Модернизация популярна во многих случаях, поскольку стоимость замены дефектной конструкции может значительно превышать стоимость усиления с использованием CFRP.
Применительно к железобетонным конструкциям на изгиб использование углепластиков обычно оказывает большое влияние на прочность (удвоение и более прочности сечения не является редкостью), но лишь умеренно увеличивает жесткость (всего 10%). Это связано с тем, что материал, используемый в таких приложениях, обычно очень прочный (например, предел прочности на разрыв 3 ГПа, что более чем в 10 раз выше, чем у мягкой стали), но не особенно жесткий (типичный модуль упругости от 150 до 250 ГПа, что немного меньше, чем у стали). . Как следствие, используются только небольшие площади поперечного сечения материала. Небольшие участки материала очень высокой прочности, но средней жесткости значительно увеличивают прочность, но не жесткость.
Углепластики также можно использовать для повышения прочности железобетона на сдвиг путем обертывания ткани или волокон вокруг укрепляемой секции. Обертывание секций (например, мостов или колонн зданий) также может повысить пластичность секции, значительно увеличивая сопротивление разрушению при динамической нагрузке. Такая «сейсмическая модернизация» является основным применением в сейсмоопасных районах, поскольку она гораздо более экономична, чем альтернативные методы.
Если колонна имеет круглую форму (или почти круглую), увеличение осевой нагрузки также достигается за счет обертывания. В этом случае удержание пленки из углепластика повышает прочность бетона на сжатие. Однако, хотя достигается значительное увеличение предельной разрушающей нагрузки, бетон растрескивается лишь при незначительном увеличении нагрузки, а это означает, что это применение используется лишь изредка. Специализированный сверхвысокомодульный углепластик (с модулем упругости 420 ГПа и более) — один из немногих практических методов усиления чугунных балок. При обычном использовании он прикрепляется к растянутой полке профиля, увеличивая жесткость профиля и понижая нейтральную ось, тем самым значительно снижая максимальное растягивающее напряжение в чугуне.
В Соединенных Штатах подавляющее большинство водопроводных магистралей составляют цилиндрические трубы из предварительно напряженного бетона (PCCP). Из-за большого диаметра отказы PCCP обычно имеют катастрофический характер и затрагивают большие группы населения. В период с 1940 по 2006 год было установлено около 19 000 миль (31 000 км) PCCP. Коррозия в виде водородного охрупчивания считается причиной постепенного износа проводов предварительного напряжения на многих линиях PCCP. За последнее десятилетие углепластики использовались для внутренней отделки PCCP, что привело к созданию полностью структурной системы усиления. Внутри линии PCCP вкладыш из углепластика действует как барьер, который контролирует уровень напряжения, испытываемого стальным цилиндром в основной трубе. Композитный лейнер позволяет стальному цилиндру работать в пределах диапазона упругости, обеспечивая сохранение долговременной работоспособности трубопровода. Конструкция вкладыша из углепластика основана на совместимости деформаций между вкладышем и основной трубой.
Углепластики являются более дорогостоящими материалами, чем их аналоги, обычно используемые в строительной отрасли, полимеры, армированные стекловолокном (GFRP) и полимеры, армированные арамидным волокном (AFRP), хотя углепластики в целом считаются имеющими превосходные свойства. Продолжается много исследований по использованию углепластиков как для модернизации, так и в качестве альтернативы стали в качестве армирующих материалов или материалов для предварительного напряжения. Стоимость остается проблемой, и вопросы долговечности все еще остаются. Некоторые обеспокоены хрупкостью углепластика в отличие от пластичности стали. Хотя нормы проектирования были разработаны такими учреждениями, как Американский институт бетона, среди инженерного сообщества остаются некоторые сомнения по поводу внедрения этих альтернативных материалов. Частично это связано с отсутствием стандартизации и запатентованностью комбинаций волокон и смол, представленных на рынке.
Микроэлектроды из углеродного волокна
Углеродные волокна используются для изготовления углеродных микроэлектродов. В этом случае обычно одно углеродное волокно диаметром 5–7 мкм запаивается в стеклянный капилляр. На кончике капилляр либо герметизируется эпоксидной смолой и полируется, чтобы получить дисковый микроэлектрод из углеродного волокна, либо волокно разрезается на длину 75–150 мкм, чтобы получить цилиндрический электрод из углеродного волокна. Микроэлектроды из углеродного волокна используются либо в амперометрии, либо в циклической вольтамперометрии с быстрым сканированием для обнаружения биохимических сигналов.
Спортивные товары
В настоящее время углепластик широко используется в спортивном оборудовании, например, в ракетках для сквоша, тенниса и бадминтона, спортивных кайт-рейках, высококачественных стреловых древках, хоккейных клюшках, удочках, досках для серфинга, высококачественных ластах для плавания и гребных снарядах. Спортсмены-ампутанты, такие как Джонни Пикок, используют лезвия из углеродного волокна для бега. Он используется в качестве пластины голени в некоторых баскетбольных кроссовках, чтобы поддерживать устойчивость стопы, обычно проходит по всей длине обуви чуть выше подошвы и остается открытым в некоторых областях, обычно в области свода.
Вызывает споры тот факт, что в 2006 году крикетные биты с тонким слоем углеродного волокна на тыльной стороне были представлены и использованы в соревновательных матчах такими известными игроками, как Рикки Понтинг и Майкл Хасси. Утверждалось, что углеродное волокно просто увеличивает долговечность бит, но в 2007 году ICC запретил его использовать во всех первоклассных матчах.
Велосипедная рама из углепластика весит меньше, чем рама из стали, алюминия или титана той же прочности. Тип и ориентация углеродного волокна могут быть спроектированы таким образом, чтобы обеспечить максимальную жесткость в необходимых направлениях. Рамы можно настроить для разных стилей катания: для спринтерских соревнований требуются более жесткие рамы, а для соревнований на выносливость могут потребоваться более гибкие рамы для комфорта гонщика в течение более длительных периодов времени. Разнообразие форм, в которые он может быть встроен, еще больше увеличило жесткость, а также позволило создать аэродинамические секции труб. Вилки из углепластика, включая коронки и рулевые вилки с подвеской, руль, подседельные штыри и шатуны, становятся все более распространенными на велосипедах средней и высокой ценовой категории. Обода из углепластика остаются дорогими, но их стабильность по сравнению с алюминием снижает необходимость повторной установки колеса, а уменьшенная масса снижает момент инерции колеса. Спицы из углепластика встречаются редко, и в большинстве карбоновых колесных пар сохранились традиционные спицы из нержавеющей стали. Углепластики также все чаще используются в других компонентах, таких как детали переключателей, рычаги и корпуса тормозов и переключателей, держатели кассетных звездочек, рычаги подвески, роторы дисковых тормозов, педали, подошвы обуви и седельные направляющие. Несмотря на то, что компоненты из углепластика прочные и легкие, удары, чрезмерная затяжка или неправильная установка компонентов из углепластика привели к растрескиванию и поломкам, которые может быть трудно или невозможно отремонтировать.
Другие приложения
Огнестойкость полимеров и термореактивных композитов значительно улучшается, если вблизи поверхности формовать тонкий слой углеродных волокон, поскольку плотный компактный слой углеродных волокон эффективно отражает тепло.
Углепластики все чаще используются в производстве высокотехнологичных изделий, требующих жесткости и малого веса, в том числе:
Утилизация и переработка
Углепластики имеют длительный срок службы при защите от солнца. Когда придет время выводить из эксплуатации углепластики, их нельзя расплавить на воздухе, как многие металлы. Если углепластики не содержат винила (ПВХ или поливинилхлорид) и других галогенированных полимеров, они могут подвергаться термическому разложению путем термической деполимеризации в бескислородной среде. Этого можно добиться на нефтеперерабатывающем заводе за один этап. Тогда становится возможным улавливание и повторное использование углерода и мономеров. Углепластики также можно измельчать или измельчать при низкой температуре для восстановления углеродного волокна; однако этот процесс резко укорачивает волокна. Как и в случае с переработанной бумагой, укороченные волокна делают переработанный материал более слабым, чем исходный. Все еще существует множество промышленных применений, для которых не требуется прочность полноразмерного армирования из углеродного волокна. Например, измельченное вторичное углеродное волокно можно использовать в бытовой электронике, например в ноутбуках. Он обеспечивает превосходное армирование используемых полимеров, даже если ему не хватает соотношения прочности и веса, как у компонентов аэрокосмической отрасли.
Полимер, армированный углеродными нанотрубками (CNRP)
В 2009 году компания Zyvex Technologies представила эпоксидную смолу, армированную углеродными нанотрубками, и углеродные препреги. Полимер, армированный углеродными нанотрубками (CNRP), в несколько раз прочнее и жестче обычных углепластиков и используется в Lockheed Martin F-35 Lightning II в качестве конструкционного материала для самолетов. CNRP по-прежнему использует углеродное волокно в качестве основного армирующего элемента, но связующая матрица представляет собой эпоксидную смолу, наполненную углеродными нанотрубками.