Свойства углеродного волокна

Углеродное волокно, характеризующееся невероятной прочностью в сочетании с очень высокой гибкостью, является одним из самых прочных материалов с точки зрения механических свойств. Так что же именно делает углеродное волокно таким особенным? Давайте разберемся в его особенностях и узнаем, почему этот материал является самым распространенным в мире.

Что такое углеродное волокно?

Углеродное волокно как следует из названия, состоит из микронитей, скрепляющих цепочки атомов углерода в кристаллическом виде. В результате получается невероятно жесткое, но легкое волокно. Это композитные материалы, которые сочетаются с углеродными волокнами, что придает им другие свойства для использования в прикладных целях.

Как производится углеродное волокно?

Процесс производства начинается с прекурсора, как правило, полимера - полиакрилонитрила (ПАН), который используется наиболее широко. Полимер превращается в волокно, а нагревание полимера позволяет извлечь неуглеродные элементы, оставляя длинную тонкую цепочку чистого углерода. Далее следует стабилизация, карбонизацияобработка поверхности и определение размеров. Все эти этапы важны для достижения особых свойств углеродного волокна. Этот тщательный процесс, проводимый при очень высоких температурах, означает, что получаемые волокна состоят преимущественно из атомов углерода, прочно соединенных между собой.

Физические свойства углеродного волокна

Плотность

У него очень низкая плотность, поэтому он очень легкий. Это свойство хорошо подходит для применения в тех областях, где вес имеет первостепенное значение, например, в аэрокосмической и автомобильной промышленности. Его вес составляет 1,6 г/см³, поэтому он весит гораздо меньше, чем сталь, и даже легче, чем алюминий, что делает его весьма востребованным материалом во многих отраслях промышленности благодаря соотношению прочности и веса.

Молекулярная структура

Молекулярная структура углеродного волокна уникальна. Гексагональная форма соединения атомов углерода делает его прочным, как сталь, но при этом весит в разы меньше. Один полимер, образующий гексагональную решетчатую структуру, обеспечивает высокую прочность волокна и в то же время его гибкость. Графитовая структура придает ему высокую тепло- и электропроводность, что может быть полезно для некоторых применений.

Гибкость

Это модульная конструкция, только гибкая и очень прочная. Он гибкий и в то же время прочный, что означает, что он может принимать различные формы для множества различных применений. Направление, в котором ориентированы волокна при их укладке, определяет жесткость или гибкость углеродного волокна, что позволяет использовать его в самых разных ситуациях. Так, для деталей, требующих высокой жесткости, может использоваться однонаправленное углеродное волокно, а если требуется большая гибкость и ударопрочность, применяется плетеное углеродное волокно.

Химические свойства углеродного волокна

Химический состав

Строительными блоками углеродного волокна являются атомы углерода. Такая простая структура придает ему стабильность, делая его устойчивым ко многим химическим веществам, которые в конечном итоге разъедают другие материалы. Качество углеродного волокна делает его менее реактивным к условиям окружающей среды, чем другие материалы. Еще один момент, который можно добавить, - в отличие от металлов углеродное волокно не подвержено ржавчине или окислению, что является дополнительным преимуществом при использовании в экстремальных погодных условиях.

Химическая стойкость

Углеродное волокно обладает высокой устойчивостью к коррозии и химическим повреждениям. Это позволяет использовать его в экстремальных условиях воздействия химических веществ. Например, на заводах по переработке химикатов углеродное волокно обычно используется для противостояния коррозионным агентам, которые в противном случае могли бы воздействовать на металлы. Благодаря высокой устойчивости к кислотам, щелочам и растворителям детали из углеродного волокна будут долговечными и функциональными даже в экстремальных химических средах.

Механические свойства углеродного волокна

Прочность на разрыв

Углеродное волокно обладает высокой прочностью на разрыв, что означает, что оно может выдерживать большие нагрузки на разрыв. Такая прочность на разрыв делает его широко используемым продуктом в аэрокосмической и автомобильной промышленности. С другой стороны, прочность углеродного волокна на разрыв составляет от 3,5 до 6,0 ГПа, что означает, что по весу оно превосходит большинство материалов (и даже сталь). Углеродное волокно, будучи легким и жестким, обладает очень высокой прочностью на разрыв, поэтому оно идеально подходит для использования в чувствительных к весу несущих конструкциях.

Прочность на сжатие

Наряду с прочностью на растяжение углеродное волокно обладает высокой прочностью на сжатие. Это означает, что оно может выдерживать значительное давление, что делает его полезным в строительстве или в тяжелых условиях эксплуатации. Углеродное волокно имеет различные значения прочности на сжатие, определяемые типом/ориентацией волокон, но при этом обладает относительно низкой ударной вязкостью. Это свойство делает пластик излюбленным материалом для конструкционных деталей, которые должны выдерживать сжимающие нагрузки без деформации.

Модуль упругости

Модуль упругости углеродного волокна высок, что означает возможность его изгиба при приложении силы, превышающей предел упругости. Это свойство позволяет углеродному волокну сохранять свою форму даже при экстремальных нагрузках. В зависимости от типа углеродного волокна модуль упругости обычно составляет от 200 до 600 ГПа. Углеродное волокно намного жестче металла, но эта жесткость позволяет использовать его в прецизионных конструкциях, таких как аэрокосмические, где миллиметровый прогиб считается недостатком конструкции.

Прочность на изгиб

Но углеродное волокно устойчиво к разрушению даже при значительном изгибе. Благодаря высокой прочности на изгиб оно может применяться в областях, требующих гибкости при сохранении структурной целостности. Поскольку углеродное волокно является искусственным материалом, прочность волокон зависит от того, как они ориентированы и уложены. Термопластичные композиты, такие как плетеные углеродные волокна, часто используются в изделиях, требующих повышенной гибкости и сгибаемости, например, в спортивных товарах и автомобильных компонентах.

Ударная прочность

Несмотря на свою прочность, углеродное волокно может быть хрупким при ударе. Сочетание его с другими материалами позволяет получить композиты с высокой устойчивостью к осколкам, что повышает ударную прочность материала. В сочетании с эпоксидными смолами и другими полимерами углеродное волокно может демонстрировать высокую ударопрочность. По этой причине композиты из углеродного волокна пригодны для использования в критически важных областях, таких как автомобильные конструкции и защитное спортивное снаряжение.

Вязкость разрушения

Это полезно для конкретного слоя углеродного волокна, потому что, когда одна нить ломается, она содержит вязкость разрушения, которая говорит о том, насколько хорошо она останавливает рост трещины. Хотя это не так сложно, как некоторые металлы, оно настолько легкое, что иногда для некоторых применений его преимущества не стоят недостатков. В таких отраслях, как аэрокосмическая и автомобильная, материалы должны быть прочными и устойчивыми к усталости и нагрузкам, поэтому прочность на излом имеет решающее значение. Другие достижения в технологии композитов из углеродного волокна, как чистого, так и гибридного, повысили их прочность на излом и расширили функциональные возможности применения.

Тепловые свойства углеродного волокна

Температура плавления

Вообще говоря, у углеродного волокна нет истинной точки плавления, потому что оно не плавится в стандартных условиях. Вместо этого оно разрушается при очень высоких температурах, что делает его благоприятным для применения в тепловых условиях. В неокислительных условиях углеродное волокно может выдерживать температуру до 3000°C. Такая термостойкость полезна в таких отраслях, как аэрокосмическая, где температура во время входа в атмосферу или высокоскоростного полета может достигать невероятных высот.

Теплопроводность

Углеродное волокно обладает низкими теплопроводными свойствами. Оно сохраняет свою прочность при высоких температурах, что делает его пригодным для применения в высокотемпературных средах, например в аэрокосмической отрасли. Это качество делает его идеальным для использования в теплоизоляции, где необходимо обеспечить теплостойкость, но при этом сохранить целостность структуры. Он также используется для изготовления инструментов при повышенных температурах, где стабильность размеров имеет первостепенное значение.

Теплопроводность

Теплопроводность углеродного волокна анизотропна. Материал эффективно проводит тепло по всей длине волокон, но изолирует их поперек, что приводит к уникальным свойствам, которые можно использовать в различных приложениях. Благодаря анизотропный Благодаря своей теплопроводности углеродное волокно находит применение там, где важен контролируемый теплообмен. Например, в качестве радиаторов или тепловых барьеров в электронике и высокопроизводительных автомобилях.

Электрические свойства углеродного волокна

Электропроводность

Углеродное волокно обладает электропроводностью, необходимой во многих областях применения, таких как электромагнитное экранирование, поэтому мы должны быть осторожны с ним там, где нам нужна электроизоляция. Собственно, ассоциации со светоматериалами приводят нас к другому материалу углеродВ дополнение к другим своим свойствам он проводит электричество, как графит, поэтому углеродное волокно используется в таких областях, как защита самолетов от ударов молнии. В отличие от этого, хотя углерод в некоторых формах может проводить электричество, в типичной композитной конструкции такое поведение проявляется в лучшем случае лишь случайно, что означает необходимость тщательной изоляции компонентов из углеродного волокна в таких приложениях, как медицинские приборы или электрические компоненты, для предотвращения нежелательной проводимости.

Применение углеродного волокна в различных отраслях промышленности

Аэрокосмическая промышленность

Малый вес углеродного волокна в сочетании с высокой прочностью делает его популярным в аэронавтике. Для обеспечения эффективности и безопасности самолетов их обычно приходится строить из сверхпрочных, но легких материалов. Он играет ключевую роль во многих конструкциях самолетов, таких как секции фюзеляжа, крылья и внутренние компоненты. Благодаря своей способности выдерживать высокие нагрузки и перепады температур он является важнейшим материалом как для коммерческих, так и для военных самолетов.

Автомобильная промышленность

В автомобильном секторе этот материал используется для улучшения характеристик автомобиля. Его легкие характеристики помогают облегчить автомобиль, что улучшает пробег и управляемость. В автомобилях с экономичным расходом топлива, а также в спортивных и электрических машинах часто используется углеродное волокно для улучшения ускорения, торможения и способности проходить повороты. Из углеродного волокна изготавливаются полы, структурные элементы, кузовные панели и внутренняя отделка, что обеспечивает легкость и эстетическую привлекательность.

Спортивное оборудование

Строительный материал на основе более легкого углеродного волокна Spectra широко используется многими производителями спортивного инвентаря. Прочность и малый вес углеродного волокна помогают при изготовлении теннисных ракеток, клюшек для гольфа и велосипедов. Благодаря легкости конструкции из углеродного волокна спортсмены могут демонстрировать большее мастерство. В велосипедах рамы из углеродного волокна обеспечивают идеальный баланс между жесткостью и комфортом, а в гольфе углепластиковые шафты увеличивают скорость замаха и контроль.

Медицинские приборы

Углеродное волокно также используется в медицинских приборах, обеспечивая комфорт и долговечность. Благодаря своей легкости и прочности углеродное волокно используется даже в колесах для инвалидных кресел и протезах, применяемых в хирургии. Благодаря своей радиопрозрачности оно подходит для использования в оборудовании для визуализации, поскольку не мешает рентгеновским лучам и другим методам визуализации. Это очень важно, так как компоненты из углеродного волокна могут использоваться в медицинских кроватях для визуализации, позволяя получать четкие изображения без помех.

Строительство

Углеродное волокно используется в строительстве для усиления конструкций. Часто углепластик используется для укрепления балок, мостов и даже зданий, где он соединяется с полимерами. Углепластик позволяет модернизировать уже существующие конструкции, позволяя им выдерживать большую нагрузку при незначительном увеличении веса. Устойчивость к коррозии и разрушению окружающей среды делает его особенно подходящим для инфраструктурных проектов в сложных условиях, таких как прибрежные зоны.

Заключение

По определению, углеродное волокно является композитным материалом, поскольку оно прочное, легкое, химически стойкое и универсальное. Его разнообразные свойства делают его незаменимым в различных отраслях промышленности, от аэрокосмической до спортивной и строительной. В мире технической эволюции углеродное волокно продолжает играть новые роли и находить новые применения, уверенно занимая место одного из ключевых материалов современного мира. Механические, термические и химические свойства углеродного волокна являются причиной того, что оно является одним из самых популярных материалов для высокопроизводительных приложений. Благодаря тому, что углеродное волокно может быть адаптировано к различным требованиям - от прочности до гибкости и термостабильности, - оно будет оставаться лидером в материаловедении еще долгие годы.