Властивості вуглецевого волокна

Вуглецеве волокно, що характеризується неймовірною міцністю в поєднанні з дуже високою гнучкістю, є одним з найміцніших матеріалів з точки зору механічних властивостей. Що ж саме робить вуглецеве волокно таким особливим? Давайте заглибимося в його характеристику і дізнаємося, чому це найпоширеніший матеріал у світі.

Що таке вуглецеве волокно?

Вуглецеве волокно як випливає з назви, складається з мікрониток, що кристалічно з'єднують ланцюжки атомів вуглецю. Це створює неймовірно жорстке, але легке волокно. Це композитні матеріали, які будуть поєднуватися з вуглецевими волокнами, що надасть їм інших властивостей для використання в додатках.

Як виготовляється вуглецеве волокно?

Процес виробництва починається з прекурсору, як правило, полімеру - поліакрилонітрилу (ПАН), який є найбільш широко використовуваним. Полімер перетворюється на волокно, а нагрівання полімеру дозволяє вилучити невуглецеві елементи, залишаючи довгий тонкий ланцюг чистого вуглецю. Етапи включають стабілізацію, карбонізаціяобробка поверхні та визначення розмірів. Всі ці етапи важливі для досягнення особливих властивостей вуглецевого волокна. Цей ретельний процес, що проводиться за дуже високих температур, означає, що вироблені волокна складаються переважно з атомів вуглецю, міцно з'єднаних між собою.

Фізичні властивості вуглецевого волокна

Щільність

Він має дуже низьку щільність, тому дуже легкий. Ця властивість добре підходить для застосувань, де вага є головною проблемою, наприклад, в аерокосмічній та автомобільній промисловості. Маючи щільність 1,6 г/см³, він важить надзвичайно мало, а отже, буде важити набагато менше, ніж сталь, і навіть легше, ніж алюміній, що робить його дуже затребуваним матеріалом для багатьох галузей промисловості, щоб збалансувати це залізобетонне співвідношення міцності до ваги.

Молекулярна структура

Молекулярний склад вуглецевого волокна унікальний. Гексагональна структура - це форма з'єднання атомів вуглецю, що робить його міцним, як сталь, але важить вдвічі менше. Один полімер, що утворює структуру гексагональної решітки, забезпечує високу міцність волокна, водночас зберігаючи його гнучкість. Графітна структура надає йому високу тепло- та електропровідність, що може бути корисним для певних застосувань.

Гнучкість

Це модульна конструкція, тільки гнучка і дуже міцна. Він гнучкий і водночас міцний, а це означає, що він може набувати різних форм для різних застосувань. Напрямок, в якому орієнтуються волокна, коли вони встановлюються, може визначити, наскільки жорстким або гнучким є вуглецевий матеріал, що дозволяє використовувати його в різних ситуаціях. Так, для деталей, які потребують високої жорсткості, можна використовувати односпрямоване вуглецеве волокно, а ткане вуглецеве волокно використовується, якщо потрібна більша гнучкість і ударостійкість.

Хімічні властивості вуглецевого волокна

Хімічний склад

Будівельними блоками вуглецевого волокна є атоми вуглецю. Ця проста структура забезпечує стабільність, роблячи його стійким до багатьох хімічних речовин, які в кінцевому підсумку роз'їдають інші матеріали. Якість вуглецевого волокна робить його менш чутливим до умов навколишнього середовища, ніж інші матеріали. Також можна додати, що на відміну від металів, вуглецеве волокно не схильне до іржі або окислення, що є додатковою перевагою в екстремальних погодних умовах.

Хімічна стійкість

Вуглецеве волокно має високу стійкість до корозії та хімічних пошкоджень. Це робить його корисним в екстремальних умовах впливу хімічних речовин. Наприклад, на хімічних заводах вуглецеве волокно зазвичай використовується для захисту від корозійних агентів, які в іншому випадку могли б атакувати метали. Завдяки високому рівню стійкості до кислот, лугів і розчинників, деталі з вуглецевого волокна є довговічними і функціональними навіть в екстремальних хімічних середовищах.

Механічні властивості вуглецевого волокна

Міцність на розрив

Міцність на розрив вуглецевого волокна є чудовою, тобто воно може витримувати високі навантаження на розрив, що робить його широко використовуваним продуктом в аерокосмічній та автомобільній галузях. З іншого боку, вуглецеве волокно має межу міцності на розрив від 3,5 до 6,0 ГПа, що означає, що воно краще за більшість матеріалів (і навіть за сталь) з точки зору ваги. Вуглецеве волокно, будучи легким і жорстким, має дуже високу міцність на розрив, тому воно ідеально підходить для використання в чутливих до ваги несучих конструкціях.

Міцність на стиск

Окрім міцності на розрив, вуглецеве волокно також має високу міцність на стиск. Це означає, що воно може витримувати значний тиск, що робить його корисним у будівництві та важких умовах експлуатації. Вуглецеве волокно має змінні значення міцності на стиск, які визначаються типом/орієнтацією волокон, але відносно низьку ударну в'язкість. Ця властивість робить пластик улюбленим матеріалом для виготовлення конструкційних деталей, які повинні витримувати стискаючі навантаження без деформації.

Модуль пружності

Модуль пружності вуглецевого волокна високий, а це означає, що його можна згинати, прикладаючи зусилля, що перевищує межу пружності. Ця властивість дозволяє вуглеволокну зберігати свою форму навіть при екстремальних навантаженнях. Залежно від типу вуглецевого волокна, модуль пружності зазвичай коливається від 200 до 600 ГПа. Вуглецеве волокно набагато жорсткіше за метал, проте ця жорсткість дозволяє використовувати його в прецизійних застосуваннях, таких як аерокосмічні конструкції, де міліметровий прогин вважається дефектом конструкції.

Міцність на вигин

Але вуглецеве волокно стійке до зламу навіть при значному вигині. Завдяки високій міцності на вигин його можна використовувати там, де потрібна гнучкість, але при цьому зберігається цілісність конструкції. Оскільки вуглецеве волокно є штучним матеріалом, міцність волокон буде змінюватися залежно від того, як вони орієнтовані та розшаровані. Термопластичні композити, такі як ткані вуглецеві волокна, часто використовуються у виробах, що вимагають підвищеної гнучкості та здатності до згинання, наприклад, у спортивних товарах та автомобільних компонентах.

Ударна в'язкість

Попри свою міцність, вуглецеве волокно може бути крихким при ударі. Поєднання його з іншими матеріалами дає змогу створювати композити з високою стійкістю до руйнування, що підвищує ударну в'язкість матеріалу. У поєднанні з епоксидними смолами та іншими полімерами вуглецеві волокна можуть демонструвати високу ударостійкість. З цієї причини композити з вуглецевого волокна підходять для обробки критично важливих для безпеки застосувань, таких як автомобільні аварійні конструкції та захисне спортивне спорядження.

В'язкість при руйнуванні

Це корисно для певного шару вуглецевого волокна, тому що коли окрема нитка ламається, вона містить в'язкість на злам, яка показує, наскільки добре вона зупиняє ріст тріщини. Хоча він не такий складний, як деякі метали, він настільки легкий, що іноді для деяких застосувань вигода не варта недоліків. У таких галузях, як аерокосмічна та автомобільна промисловість, матеріали повинні бути міцними та стійкими до втоми і навантажень, що робить в'язкість до руйнування критично важливою. Інші досягнення в технології композитних вуглецевих волокон, як чистих, так і гібридних, підвищили їхню в'язкість на розрив і розширили функціональне застосування.

Теплові властивості вуглецевого волокна

Температура плавлення

Взагалі кажучи, вуглецеве волокно не має справжньої температури плавлення, оскільки воно не плавиться за стандартних умов. Натомість воно руйнується при дуже високих температурах, що робить його придатним для теплових застосувань. В неокислювальних умовах вуглецеве волокно може витримувати температуру до 3000°C. Така термостійкість корисна в таких галузях, як аерокосмічна, де температура під час входу в атмосферу або високошвидкісного польоту може досягати неймовірних висот.

Теплопровідність

Вуглецеве волокно має низькі теплопровідні властивості. Воно зберігає свою міцність при високих температурах, що робить його придатним для застосування у високотемпературних середовищах, наприклад, в аерокосмічній галузі. Ця якість робить його ідеальним для використання в теплоізоляції, де термостійкість є обов'язковою, але при цьому повинна бути збережена структурна цілісність. Він також використовується для обробки інструментів при підвищених температурах, де стабільність розмірів має першорядне значення.

Теплопровідність

Теплопровідність вуглецевого волокна анізотропна. Матеріал ефективно проводить тепло по довжині волокон, але ізолює поперек волокон, що призводить до унікальних властивостей, які можна використовувати в різних сферах застосування. Завдяки своїм анізотропний Завдяки високій теплопровідності вуглецеве волокно знаходить застосування там, де важливий контрольований теплообмін. Наприклад, тепловідводи або теплові бар'єри в електроніці та високопродуктивних транспортних засобах.

Електричні властивості вуглецевого волокна

Електропровідність

Вуглецеве волокно має електричну провідність, яка необхідна для багатьох застосувань, наприклад, для електромагнітного екранування, тому ми повинні бути обережними з ним там, де нам потрібна електрична ізоляція. Насправді, асоціації з легкими матеріалами приводять нас до іншого матеріалу вуглецьоскільки він проводить електрику, як графіт, на додаток до інших своїх властивостей, саме тому вуглецеве волокно використовується в таких сферах, як захист літаків від ударів блискавки. І навпаки, хоча вуглець у деяких формах може проводити електричний струм, у типовому композитному дизайні така поведінка в кращому випадку спостерігається лише випадково, а це означає, що необхідно бути обережним з ізоляцією компонентів з вуглецевого волокна в таких сферах застосування, як медичні прилади або електричні компоненти, щоб запобігти небажаній провідності.

Використання вуглецевого волокна в різних галузях промисловості

Аерокосмічна промисловість

Невелика вага вуглецевого волокна в поєднанні з його високою міцністю робить його популярним в аеронавтиці. А для того, щоб літаки були ефективними та безпечними, їх зазвичай будують з надміцних, але легких матеріалів. Він відіграє ключову роль у багатьох конструкціях літаків, таких як секції фюзеляжу, крила та компоненти інтер'єру. Це робить його критично важливим матеріалом як для комерційних, так і для військових літаків завдяки його здатності витримувати високі навантаження і мінливі температури.

Автомобільна промисловість

В автомобілебудуванні цей матеріал використовується для покращення експлуатаційних характеристик транспортних засобів. Його легкі характеристики сприяють полегшенню ваги, що покращує пробіг та керованість. У паливно-ефективних транспортних засобах, а також спортивних автомобілях та електромобілях часто використовують вуглецеве волокно для покращення прискорення, гальмування та здатності проходити повороти. Підлоги виготовляються з вуглецевого волокна, як і структурні компоненти, кузовні панелі та оздоблення інтер'єру, все для полегшення та естетичної привабливості.

Спортивний інвентар

Будівельний матеріал на основі вуглецевого волокна з більш легким спектром широко використовується багатьма виробниками спортивного спорядження. Міцність і легка вага вуглецевого волокна допомагають у виробництві тенісних ракеток, ключок для гольфу та велосипедів. Конструкція з вуглецевого волокна легка, тому спортсмени можуть виступати з більшою майстерністю. У велосипедах рами з вуглецевого волокна забезпечують ідеальний баланс між жорсткістю та комфортом; у гольфі вуглепластикові ключки підвищують швидкість та контроль замаху.

Медичне обладнання

Вуглецеве волокно також використовується в медичних пристроях, забезпечуючи комфорт і довговічність. Завдяки своїй легкості та міцності вуглецеве волокно навіть використовується для виготовлення коліс для інвалідних візків та протезів, що застосовуються в хірургії. Його радіопрозорість робить його придатним для використання в обладнанні для візуалізації, оскільки воно не заважає рентгенівським променям та іншим методам візуалізації. Це вигідно, оскільки компоненти з вуглецевого волокна можна використовувати в медичних томографах, забезпечуючи чітке зображення без перешкод.

Будівництво

Вуглецеве волокно використовується в будівництві для армування конструкцій. Часто вуглепластик використовується для зміцнення балок, мостів і навіть будівель, де він скріплюється з полімерами. CFRP дозволяє модернізувати вже існуючі конструкції, щоб вони могли витримувати більше навантаження при незначному збільшенні ваги. Стійкість до корозії та впливу навколишнього середовища робить його особливо придатним для інфраструктурних проектів у складних умовах, таких як прибережні зони.

Висновок

За визначенням, вуглецеве волокно є композитним матеріалом, оскільки воно міцне, легке, хімічно стійке та універсальне. Його різноманітні властивості роблять його незамінним у багатьох галузях промисловості, від аерокосмічної до спортивної та будівельної. У світі технічної еволюції вуглецеве волокно все ще знаходить нові ролі та застосування, впевнено позначаючи своє місце як один з ключових матеріалів нашого сучасного світу. Механічні, термічні та хімічні властивості вуглецевих волокон є причиною того, що вони є одним з найпопулярніших матеріалів для високопродуктивних застосувань. Його пристосування до потреб, від міцності до гнучкості та термічної стабільності, гарантує, що вуглецеве волокно залишатиметься лідером у матеріалознавстві на довгі роки.