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, например эпоксидная смола, но иногда используются и другие термореактивные или термопластичные полимеры, например полиэстер, виниловый эфир или нейлон. Свойства конечного продукта CFRP могут зависеть от типа добавок, введенных в связующую матрицу (смолу). Наиболее распространенной добавкой является кремний, но могут использоваться и другие добавки, например каучук и углеродные нанотрубки.
Углеродное волокно иногда называют полимером, армированным графитом или полимером, армированным графитовым волокном (GFRP встречается реже, так как конфликтует с полимером, армированным стекловолокном).
Характеристики
CFRP — это композитные материалы. В этом случае композит состоит из двух частей: матрицы и арматуры. В CFRP арматурой является углеродное волокно, которое обеспечивает его прочность. Матрица обычно представляет собой термореактивный пластик, такой как полиэфирная смола, для связывания арматуры вместе. Поскольку CFRP состоят из двух отдельных элементов, свойства материала зависят от этих двух элементов.
Армирование придает CFRP прочность и жесткость, измеряемые напряжением и модулем упругости соответственно. В отличие от изотропных материалов, таких как сталь и алюминий, CFRP обладают направленными прочностными свойствами. Свойства CFRP зависят от расположения углеродного волокна и пропорции углеродных волокон относительно полимера. Два различных уравнения, регулирующих 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 композитных материалов с волокнами, ориентированными в направлении приложенной нагрузки. — общий композитный 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:
Трещиностойкость армированных углеродным волокном пластиков регулируется механизмами: 1) отслоение между углеродным волокном и полимерной матрицей, 2) выдергивание волокна и 3) расслоение между листами CFRP. Типичные CFRP на основе эпоксидной смолы практически не обладают пластичностью, с деформацией до разрушения менее 0,5%. Хотя CFRP 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 попытки упрочнить CFRP включают модификацию существующего эпоксидного материала и поиск альтернативной полимерной матрицы. Одним из таких многообещающих материалов является PEEK, который демонстрирует на порядок большую прочность при аналогичном модуле упругости и пределе прочности на разрыв. Однако PEEK гораздо сложнее обрабатывать и он дороже.
Несмотря на их высокие начальные отношения прочности к весу, ограничением конструкции CFRP является отсутствие у них определяемого предела усталости. Это означает, теоретически, что отказ от цикла напряжения не может быть исключен. В то время как сталь и многие другие конструкционные металлы и сплавы имеют оценочные пределы усталости или выносливости, сложные режимы отказа композитов означают, что свойства усталостного отказа CFRP трудно предсказать и спроектировать; однако новые исследования пролили свет на влияние низкоскоростных ударов на композиты. Низкоскоростные удары могут сделать полимеры углеродного волокна восприимчивыми к повреждениям. В результате, при использовании CFRP для критических применений с циклической нагрузкой инженерам может потребоваться проектировать со значительным запасом прочности, чтобы обеспечить надлежащую надежность компонента в течение срока его службы.
Влияние окружающей среды, такое как температура и влажность, может оказывать глубокое воздействие на композиты на основе полимеров, включая большинство CFRP. Хотя CFRP демонстрируют отличную коррозионную стойкость, воздействие влаги в широком диапазоне температур может привести к ухудшению механических свойств CFRP, особенно на границе матрица-волокно. Хотя сами углеродные волокна не подвержены влиянию влаги, диффундирующей в материал, влага пластифицирует полимерную матрицу. Это приводит к значительным изменениям свойств, на которые в основном влияет матрица в CFRP, таких как компрессионные, межслойные сдвиговые и ударные свойства. Эпоксидная матрица, используемая для лопаток вентилятора двигателя, разработана так, чтобы быть непроницаемой для реактивного топлива, смазки и дождевой воды, а внешняя краска на композитные детали наносится для минимизации повреждений от ультрафиолетового света.
Углеродные волокна могут вызывать электрохимическую коррозию, если детали из углепластика прикреплены к алюминию или мягкой стали, но не к нержавеющей стали или титану.
Пластики, армированные углеродным волокном, очень трудно обрабатывать, и они вызывают значительный износ инструмента. Износ инструмента при обработке CFRP зависит от ориентации волокон и условий обработки в процессе резания. Для уменьшения износа инструмента при обработке CFRP и пакета CFRP-металл используются различные типы покрытых инструментов.
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 двунаправленный тканый лист, т. е. саржу с переплетением 2/2. Процесс, с помощью которого изготавливается большинство углепластиков, различается в зависимости от создаваемой детали, требуемой отделки (внешнего блеска) и количества деталей, которые будут произведены. Кроме того, выбор матрицы может оказать сильное влияние на свойства готового композита.
Многие детали из углепластика изготавливаются из одного слоя углеродной ткани, которая подкреплена стекловолокном. Инструмент, называемый измельчителем, используется для быстрого создания этих композитных деталей. После создания тонкой оболочки из углеродного волокна 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, в которой отвердитель и смола распыляются отдельно, либо внутреннюю смесь, которая требует очистки после каждого использования.
Методы производства могут включать следующее:
Формование
Один из методов производства деталей из углепластика заключается в наложении слоев ткани из углеродного волокна в форму в форме конечного продукта. Выравнивание и переплетение волокон ткани выбираются для оптимизации прочностных и жесткостных свойств полученного 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 областях, изготавливаются путем накладывания ткани на форму, причем эпоксидная смола либо предварительно пропитывается в волокна (также известна как препрег), либо «наносится» на нее. Высокопроизводительные детали, использующие отдельные формы, часто упаковываются в вакуумные мешки и/или отверждаются в автоклаве, поскольку даже небольшие пузырьки воздуха в материале снижают прочность. Альтернативой методу автоклава является использование внутреннего давления с помощью надувных воздушных пузырей или пенополистирола внутри неотвержденного уложенного углеродного волокна.
Вакуумная упаковка
Для простых изделий, для которых требуется сравнительно немного копий (одна или две в день), можно использовать вакуумный мешок. Стекловолоконная, углеродная или алюминиевая форма полируется и покрывается воском, а перед нанесением ткани и смолы на нее наносится разделительный состав, а затем вакуум отводится и откладывается, чтобы изделие затвердело (затвердело). Существует три способа нанесения смолы на ткань в вакуумной форме.
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 композитных материалов известен как сухая выкладка. Здесь материал из углеродного волокна уже пропитан смолой (препрег) и наносится на форму аналогично клеевой пленке. Затем сборка помещается в вакуум для отверждения. Метод сухой выкладки имеет наименьшее количество отходов смолы и может обеспечить более легкие конструкции, чем мокрая выкладка. Кроме того, поскольку большие объемы смолы сложнее вытеснить с помощью мокрых методов выкладки, детали с препрегом обычно имеют меньше отверстий. Устранение отверстий с минимальным количеством 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 (мужская и женская) или многокомпонентная форма, обычно изготавливаемая из алюминия или стали, а в последнее время из пластика, напечатанного на 3D-принтере. Компоненты формы спрессовываются вместе с тканью и смолой, загружаемыми во внутреннюю полость, которая в конечном итоге становится желаемым компонентом. Преимуществом является скорость всего процесса. Некоторые производители автомобилей, такие как BMW, заявляли, что могут циклически изготавливать новую деталь каждые 80 секунд. Однако эта технология имеет очень высокую первоначальную стоимость, поскольку формы требуют обработки на станке с ЧПУ очень высокой точности.
Намотка нити
Для изготовления деталей из углепластика сложной или извилистой формы можно использовать намоточную машину, наматывая нити на оправку или сердечник.
Приложения
Области применения углепластиков включают следующее:
Аэрокосмическая техника
Airbus A350 XWB на 53% состоит из углепластика, включая лонжероны крыла и компоненты фюзеляжа, что превосходит Boeing 787 Dreamliner по показателю самого высокого отношения веса к углепластику, которое составляет 50%. Это был один из первых коммерческих самолетов с лонжеронами крыла из композитов. Airbus A380 был одним из первых коммерческих авиалайнеров с центральным кессоном крыла из углепластика; он первый, имеющий плавно очерченное поперечное сечение крыла вместо крыльев, разделенных по размаху на секции. Это плавное, непрерывное поперечное сечение оптимизирует аэродинамическую эффективность. Более того, задняя кромка, а также задняя переборка, хвостовое оперение и негерметичный фюзеляж изготовлены из углепластика. Однако многочисленные задержки отодвинули сроки поставки заказов из-за проблем с производством этих деталей. Многие самолеты, в которых используется CFRP, столкнулись с задержками в датах поставок из-за относительно новых процессов, используемых для изготовления компонентов CFRP, в то время как металлические конструкции изучались и использовались в планерах в течение десятилетий, и эти процессы относительно хорошо изучены. Повторяющейся проблемой является мониторинг структурного старения, для которого постоянно исследуются новые методы из-за необычной многоматериальной и анизотропной природы CFRP.
В 1968 году вентилятор из углеродного волокна Hyfil использовался на самолетах Rolls-Royce Conways Vickers VC10, эксплуатируемых авиакомпанией BOAC.
Специализированные авиаконструкторы и производители Scaled Composites широко использовали углепластики в своих проектах, включая первый частный пилотируемый космический корабль Spaceship One. Углепластики широко используются в микролетающих аппаратах (МЛА) из-за их высокого соотношения прочности к весу.
Автомобилестроение
Углеродные волокна широко используются в гонках автомобилей высокого класса. Высокая стоимость углеродного волокна компенсируется непревзойденным соотношением прочности и веса материала, а малый вес имеет важное значение для гонок автомобилей с высокими эксплуатационными характеристиками. Производители гоночных автомобилей также разработали методы придания деталям из углеродного волокна прочности в определенном направлении, делая их прочными в направлении нагрузки, но слабыми в направлениях, где на элемент будет возложена небольшая или нулевая нагрузка. С другой стороны, производители разработали всенаправленные переплетения углеродного волокна, которые придают прочность во всех направлениях. Этот тип сборки углеродного волокна наиболее широко используется в сборке шасси монокока «ячейки безопасности» гоночных автомобилей высокой производительности. Первое шасси монокока из углеродного волокна было представлено в Формуле-1 McLaren в сезоне 1981 года. Оно было разработано Джоном Барнардом и широко копировалось в последующих сезонах другими командами Формулы-1 из-за дополнительной жесткости, придаваемой шасси автомобилей.
За последние несколько десятилетий многие суперкары широко использовали углепластик в своем производстве, используя его для шасси-монокока, а также других компонентов. Еще в 1971 году Citroën SM предлагал опциональные 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 для изгиба использование углепластиков обычно оказывает большое влияние на прочность (удвоение или более прочности сечения не является редкостью), но лишь умеренно увеличивает жесткость (всего на 10%). Это связано с тем, что материал, используемый в таких приложениях, обычно очень прочный (например, предел прочности на растяжение 3 ГПа, более чем в 10 раз больше, чем у мягкой стали), но не особенно жесткий (типичный модуль упругости от 150 до 250 ГПа, немного меньше, чем у стали). Как следствие, используются только небольшие площади поперечного сечения материала. Небольшие области материала с очень высокой прочностью, но умеренной жесткостью значительно увеличат прочность, но не жесткость.
Углепластики также могут использоваться для повышения прочности на сдвиг армированного бетона путем обертывания тканей или волокон вокруг укрепляемой секции. Обертывание вокруг секций (например, колонн моста или здания) также может повысить пластичность секции, значительно увеличивая сопротивление разрушению при динамической нагрузке. Такая «сейсмическая модернизация» является основным применением в сейсмоопасных районах, поскольку она намного экономичнее альтернативных методов.
Если колонна круглая (или почти круглая), увеличение осевой грузоподъемности также достигается за счет обмотки. В этом применении ограничение обмотки CFRP увеличивает прочность бетона на сжатие. Однако, хотя достигаются большие увеличения предельной нагрузки разрушения, бетон трескается только при слегка увеличенной нагрузке, что означает, что это применение используется лишь изредка. Специальный сверхвысокомодульный CFRP (с модулем упругости на растяжение 420 ГПа или более) является одним из немногих практичных методов усиления чугунных балок. При типичном использовании он приклеивается к растягивающемуся фланцу сечения, что увеличивает жесткость сечения и понижает нейтральную ось, тем самым значительно снижая максимальное растягивающее напряжение в чугуне.
В Соединенных Штатах предварительно напряженные бетонные цилиндрические трубы (PCCP) составляют подавляющее большинство водопроводных магистралей. Из-за их большого диаметра отказы PCCP обычно катастрофичны и затрагивают большие группы населения. Примерно 19 000 миль (31 000 км) PCCP были установлены между 1940 и 2006 годами. Коррозия в форме водородного охрупчивания была признана причиной постепенного ухудшения состояния предварительно напряженных проводов во многих линиях PCCP. За последнее десятилетие для внутренней облицовки PCCP использовались CFRP, что привело к созданию полностью структурно усиленной системы. Внутри линии PCCP футеровка CFRP действует как барьер, который контролирует уровень деформации, испытываемой стальным цилиндром в принимающей трубе. Композитная облицовка позволяет стальному цилиндру работать в пределах его упругого диапазона, обеспечивая сохранение долгосрочной производительности трубопровода. Конструкции облицовки CFRP основаны на совместимости деформации между облицовкой и принимающей трубой.
Углепластики являются более дорогими материалами, чем их обычно используемые аналоги в строительной отрасли, полимеры, армированные стекловолокном (GFRP) и полимеры, армированные арамидным волокном (AFRP), хотя в целом считается, что у углепластиков превосходные свойства. Продолжается много исследований по использованию углепластиков как для модернизации, так и в качестве альтернативы стали в качестве армирующих или предварительно напряженных материалов. Стоимость остается проблемой, и вопросы долгосрочной прочности все еще остаются. Некоторые обеспокоены хрупкостью углепластиков в отличие от пластичности стали. Хотя такие институты, как Американский институт бетона, разработали нормы проектирования, среди инженерного сообщества по-прежнему сохраняются некоторые колебания относительно внедрения этих альтернативных материалов. Отчасти это связано с отсутствием стандартизации и патентованным характером комбинаций волокна и смолы на рынке.
Микроэлектроды из углеродного волокна
Углеродные волокна используются для изготовления микроэлектродов из углеродного волокна. В этом применении обычно одно углеродное волокно диаметром 5–7 мкм запаивается в стеклянный капилляр. На конце капилляр либо запечатывается эпоксидной смолой и полируется для изготовления дискового микроэлектрода из углеродного волокна, либо волокно разрезается до длины 75–150 мкм для изготовления цилиндрического электрода из углеродного волокна. Микроэлектроды из углеродного волокна используются либо в амперометрии, либо в циклической вольтамперометрии с быстрым сканированием для обнаружения биохимической сигнализации.
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.
Спорным является тот факт, что в 2006 году были введены биты для крикета с тонким слоем углеродного волокна на спине, которые использовались в соревновательных матчах такими известными игроками, как Рики Понтинг и Майкл Хасси. Углеродное волокно, как утверждалось, просто увеличивает прочность бит, но оно было запрещено ICC во всех матчах первого класса в 2007 году.
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 повышается, если тонкий слой углеродных волокон отформован вблизи поверхности, 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 приходит время выводить из эксплуатации углепластики, их нельзя расплавить на воздухе, как многие металлы. Если углепластики не содержат винил (ПВХ или поливинилхлорид) и другие галогенированные полимеры, их можно термически разложить путем термической деполимеризации в бескислородной среде. Это можно сделать на нефтеперерабатывающем заводе в одноэтапном процессе. Затем возможно улавливание и повторное использование углерода и мономеров. Углепластики также можно измельчать или измельчать при низкой температуре для восстановления углеродного волокна; однако этот процесс значительно укорачивает волокна. Как и в случае с переработанной бумагой, укороченные волокна делают переработанный материал слабее исходного материала. Существует еще много промышленных применений, которым не нужна прочность полноразмерного армирования углеродным волокном. Например, измельченное регенерированное углеродное волокно можно использовать в бытовой электронике, такой как ноутбуки. Он обеспечивает превосходное усиление используемых полимеров, даже если ему не хватает соотношения прочности и веса, необходимого для аэрокосмических компонентов.
Полимер, армированный углеродными нанотрубками (CNRP)
В 2009 году компания Zyvex Technologies представила армированную углеродными нанотрубками эпоксидную смолу и углеродные препреги. Армированный углеродными нанотрубками полимер (CNRP) в несколько раз прочнее и жестче, чем типичные углепластики, и используется в Lockheed Martin F-35 Lightning II в качестве конструкционного материала для самолетов. В CNRP в качестве основного армирования по-прежнему используется углеродное волокно, но связующей матрицей является эпоксидная смола, наполненная углеродными нанотрубками.