Вуглеволокно
Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Вуглеце́ве волокно́, або вуглеволокно, графітове волокно — вуглецевий полімер; форма графіту, в якій атоми вуглецю збудовані в плоскі довгі вузькі графітові полотна.
Вуглецеве волокно є тип гідратцелюлозного, або віскозного, або штучного волокна — пан-акрилонітрилове волокно, яке є вуглецем майже в чистому вигляді. Даний матеріал проводиться методом піролізу, який припускає розкладання молекули сполуки під впливом високої температури.
Кожне полотно по будові кристалічної ґратки близько до графіту, проте створює лише плоскі просторові структури. Безліч графітових полотен, переплітаючись, утворюють волокно. Вуглеволокном часто називають також будь-який композитний матеріал, до складу якого входять вуглецеві нитки; найбільш відомим і важливим з них є пластик, посилений вуглеволокном (англ. CFRP, Carbon Fiber Reinforced Plastic).
Вуглеволокно отримують складною термічною обробкою (400—3 000°C) поліакрілонітрилу.
Зміст |
[ред.] Характеристики
[ред.] Властивості
| Типові властивості HT-вуглеволокон | |
|---|---|
| Густина | 1,8 g/cm³ |
| Перетин волокна | 7 µm |
| Міцність вздовж волокон | 3530 МПа(Н/мм²) |
| Повздовжній модуль Юнга | 230 ГПа |
| Усадка (Bruchdehnung) | 1,5 % |
| Типові властивості UMS-вуглеволокон | |
|---|---|
| Густина | 1,8 g/cm³ |
| Перетин волокна | 7 µm |
| Міцінсть вздовж волокон | 4560 МПа(Н/мм²) |
| Повзодовжній модуль Юнга | 395 ГПа |
| Усадка (Bruchdehnung) | 1,1 % |
- висока пружність
- висока механічна міцність
- стійко до дії високих температур
- стійко до дії хемічних реагентів
- стійко до дії ультрафіолетового випромінювання
Під впливом високої температури волокна змінюють свої механічні властивості. Вугільне волокно має дуже низьку стійкість до ударних навантажень (високу ударну крихкість).
[ред.] Отримання
Існують такі способи отримання вуглеволокна
- хемічне осідання вуглецю на філамент (носій, скловолокно наприклад)
- вирощування волоконноподібних кристалів (графить) в світловій дузі
- побудова органічних волокон в реакторі (останній спосіб найпоширеніший)
Поліакрилнітрид нагрівається до 260°C, оксидується і кетонні молекулярні з'єднання стабілізуються. Потім оксидований матеріал нагрівається до 1300°C в інертному газі. При цьому відбувається обвуглювання матеріалу — карбонізує і відторгнення невуглецевий з'єднань, так звана суха дисциляція. При цьому виходять HF-волокна, які після цього обробляються хемічно для використання в композитних сполуках — фініш. Якщо потрібне волокно ще більшої міцності, то HF-волокно проходить ще одну ступінь- графітізація при температурі 2000—3000°C в інертному газі. Найміцніше вуглеволокно-uhm, проходить додатково ще декілька ступенів графітування в інертному газі при тій же температурі з подальшим фінішем. Процес це дуже енергоємний і складний, тому вуглеволокно набагато дорожче за скловолокно.
[ред.] Застосування
Вуглецеві волокна згортаються в нитку. Нитки перевиваються у вуглецеві тканини, полотна, стрічки різного плетіння. Ці матеріали застосовуються для створення вуглепластів (вуглепластиків) і інших композиційних матеріалів. Наприклад як армуючий матеріал для вуглепластику на основі епоксидних смол.
Також вуглецеві волокна використовуються як хороший фільтруючий матеріал і для створення електронагрівальних елементів.
Іноді вуглеволокно використовується тільки для поліпшення зовнішнього вигляду, тобто для «косметичних» цілей, наприклад, для виготовлення корпусів приладових панелей або глушників.
Вугільне волокно в комбінації з епоксидною смолою часто застосовується для армування ділянок, де необхідна підвищена міцність і жорсткість, і при правильному підході дає добрі результати. За своєю міцністю на розрив вугілля поступається кевлару, проте значно перевершує його при роботі на стиск. Одночасно вугільне волокно посідає дуже низьку стійкість до ударних навантажень. Для компенсації слабких місць того і іншого, обидва матеріали часто застосовують у вигляді «гібрида». Як і у випадку з кевларом, вуглеволокно не переносить недбалого ставлення і вимагає для свого захисту іншого матеріалу типу склотканини.
Крім малої міцності при ударних навантаженнях, вуглеволокно погано преносить навантаження на зсув і його слід чим-небудь захищати зверху від абразивних дій. Хоча з вуглеволокна можна виготовити тканину в звичайному або «гібридному» вигляді і використовувати її для цілей обклеювання корпусу, слід мати на увазі, що вугільні волокна (як, втім, та інші) в процесі переплетення втрачають міцність. Якщо ставиться мета добитися від матеріалу максимальної міцності, вуглеволокна повинні бути абсолютно прямими, без звивини і згинів. Таким чином, з урахуванням високої вартості вуглеволокна (воно дорожче кевлара) представляється марною тратою використання його в будь-якому тканому вигляді, де порушена прямолінійна орієнтація ниток.
Існують великі розбіжності з приводу смол, придатних для застосування з вуглеволокном. З чисто технічної точки зору поліефірні, вінілефірні і епоксидні смоли добре просочують даний матеріал, проте дехто вважає, що для досягнення якнайкращих результатів необхідно застосовувати еластичніші смоли типу вінілефірних або епоксидних. З погляду міцності клейового з'єднання, коли йдеться про застосування вуглеволокна поверх матеріалу-основи, якнайкращим варіантом будуть епоксидні смоли.
Матеріали з вуглеволокна мають чорний колір, зберігаючи його і після просочення смолою, що не дозволяє застосовувати їх при натуральній обробці.
[ред.] Обмеження
Вуглеволоконний пил небезпечний при вдиханні всередину, тому при роботі з матеріалом необхідний респіратор. При контакті з металами в солоній воді вуглепластик викликає сильну корозію і подібні контакти слід виключати.
