Карбон (или углеродное волокно) представляет собой множество тончайших нитей (диаметр 0,09 мм) углерода, прочность которых сравнима с легированной сталью при гораздо меньшей массе (примерно, как у алюминия). Из этих нитей сплетают волокно; в результате получается очень прочная ткань. Волокна могут располагаться хаотично, а могут быть и в виде плетения.
Исходным материалом для получения углеродного волокна служит полиакрилонитрил – вещество белого цвета, по свойствам напоминающее шерсть. Его несколько раз нагревают в среде инертных газов. На первом этапе при температуре в +260оС изменяют структуру вещества (на молекулярном уровне), затем уже при +700оС углеродные атомы «заставляют сбросить» водород. Постепенно, за несколько раз нагревов доводят до +3000оС, - данный процесс называют графитизацией. В результате углерода становится больше, а связь между его атомами прочнее. Упрощенно говоря, карбоном можно считать углеродное волокно, нагретое до обугливания.
Характеристики карбона и применение
Одно из главных положительных качеств карбона – высокая прочность, достигающая 1500 кг/куб. м. При этом прочность на растяжение достигает 1800 мПа. Температурный предел этого материала составляет +2000оС. Нити углеродного волокна хорошо работают только на растяжение, поэтому изготовление жесткой конструкции весьма проблематично. Карбон достаточно хрупок, при ударе крошится, поэтому отремонтировать деталь практически невозможно. При постоянном воздействии ультрафиолета углеволокно теряет первоначальный цвет. Однако положительные свойства перекрывают минусы; подтверждением этого служит изготовление из него тормозных дисков, колодок для спортивных машин, не говоря уже о космической технике.
Одной из характеристик карбона является удельная масса (или плотность ткани), выражаемая в г/кв. м. Этот параметр зависит от толщины волокна, в котором может быть несколько тысяч нитей. Например, если в маркировке присутствует обозначение 2К, то в волокне находится 2000 нитей. Самый прочный карбон обозначают аббревиатурой UHM. Помимо плотности, важной характеристикой является способ плетения нитей (в наиболее дешевом материале оно отсутствует).
При тюнинговании автотранспорта чаще всего используют такие типы плетения, как Twill, Satin, Plain. Наиболее распространенное число нитей в волокне – от 1 до 24К. Последний тип ткани широко используется при изготовлении военной техники, испытывающей огромные нагрузки.
Автомобилисты, для которых важен внешний вид транспортного средства, хорошо знают о средствах, применяемых при внешнем и внутреннем тюнинге. Одним из наиболее известных эффектных материалов, используемых при тюнинге, является карбон. Для того, чтобы материал оправдал возложенные на него ожидания по преображению авто, необходимо знать достоинства и недостатки, ведь карбон – это не только уникальное средство тюнинга, но и способ облегчить конструкцию авто, делая ее прочнее.
Особенности карбона
Название материала, «карбон», представляет собой упрощенное выражение, имеющее английское происхождение (сarbon fiber – «углеродное волокно»). Под данным словом могут подразумеваться самые различные материалы, обладающих сходными физико-химическими характеристиками. Однако, все показатели также позволяют отнести материал к группе пластмасс.
Общее вещество, позволяющее отнести карбон к данной группе — наполнитель из углеродного волокна, однако связующие вещества, применяемые в карбоне, будут отличаться. Так как строго установленной классификации материалов группы углепластика пока нет, к данной группе может быть также отнесена пленка из полиэтилена со впайкой угольных нитей.
Своим появлением в автомобильной сфере, в частности, при тюнинговых работах, карбон обязан началом использования на предприятиях оборонной промышленности, а затем достоинства материала были оценены в других сферах, включая спортивную нишу и автомобильный тюнинг.
Описание материала
Карбон представляет собой переплетенные в большом количестве нити из углерода, а крепление между огромным количеством нитей выполняется эпоксидной смолой. Чтобы обеспечить высочайшую прочность материала, нити должны быть уложены с соблюдением определенного угла. Таким образом, основная составляющая композитного материала — углеродная нить, которая не подлежит ломанию или разрыву. Применение современных технологий позволяет производить материал для тюнинга с самым разнообразным видом рисунка и рельефа.
Преимущества и недостатки
Прежде, чем использовать материал, следует узнать основные свойства и особенности работы и эксплуатации материала и предметов, обработанных карбоном.
Особое плетение обеспечивает материалу высокую прочность, и дает несомненное преимущество по сравнению с другими материалами, включая металл.
Карбон отличается легким весом – на 50% легче стали и на 20% легче алюминий.
Еще одним замечательным свойством является особая прочность на разрыв. Деталь, изготовленная с применением карбона, имеет улучшенные потребительские свойства. Данные показатели композита позволяют успешно внедрять его в автоспортивной сфере.
Материал является признанным средством обеспечения дополнительной безопасности пилотов спортивных машин, а также имеет влияние на улучшение спортивных результатов, так как вес спортивного средства оказывает огромное воздействие на обеспечение максимальной устойчивости болида.
Однако применение карбона имеет и свои недостатки. Прежде всего, речь идет о высокой стоимости композита, основанную на сложности применяемых в производстве уникальных технологий, а также на изначальной высокой стоимости исходных веществ: при склеивании между слоями карбона применяются дорогие смолы с повышенными качественными характеристиками.
Несмотря на прочность, карбону следует избегать точечные удары, а также значительных быстрых механических воздействий. Таким образом, повреждения можно получить даже при метком попадании небольшого камешка в часть автомобиля, содержащего карбоновый элемент.
Еще одна опасность, от которой стоит оградить поверхность карбона – солнечные лучи. Их воздействие губительно для внешнего вида изделий из данного материала. Если не предпринять мер по защите авто от прямого солнца, внешний вид будет испорчен в течение короткого промежутка времени.
Сферы применения карбона
Как уже говорилось, автомобилисты хорошо знают данный материал, благодаря использованию в тюнинговых работах. Высокая оценка практического применения способствовала резкому росту популярности материала. В настоящее время, актуален вопрос перехода от применения в тюнинге к использованию в серийном производстве автомобилей.
Основные характеристики, способствующие расширению сферы использования карбона, являются:
- прочность и легкость материала;
- наличие возможности нанесения декоративного рисунка, способствующего улучшению внешнего вида;
- способность переливаться на свете, благодаря отражению лучей поверхностью многочисленных нитей;
- эксклюзивность цвета и внешнего вида.
Данные способности оценены производителями автомобилей, а также организациями, работающими в автомобильной сфере. Применение карбона для рядовых пользователей означает продвинутые технологии и инновации компании, занимающейся автомобильными усовершенствованиями.
На видео о применении карбона
Следует отметить, что у карбона, относимого к углепластику, есть множество родственных материалов, входящих в ту же группу и обладающих схожими потребительскими характеристиками.
Что такое карбон?
Карбон – это техническая ткань, состоящая из тысяч переплетенных между собой углеродных волокон, образующих ту самую ткань. Карбон выпускается в виде тканей с самыми разнообразными переплетениями в зависимости от целевого применения и является всего лишь одной частью конструкционных материалов, включающих в себя много частей, которые известны всем, как композитные материалы. Композиты производятся из составляющих, которые объединяют в себе качества разных материалов, а целью является отсутствие жесткости или получение прочности. В случае с карбоном, стекловолокном, Кевларом или другими аналогичными тканями, композитный материал, о котором идет речь, носит название «FRP» (Fiber Reinforced Polymer – полимер, армированный волокнами). В производстве такого полимера ткань используется для того, чтобы «усилить» конструкционную жесткость смолистого подслоя. Смола обеспечивает прочность композита, а карбон добавляет структурную целостность пластику, который в ином случае будет хрупким.
Как производится карбон?
Карбон (углеволокно), как видно из его названия, это ткань, состоящая только из угля и не имеющая иных элементов в своем составе. Но начинать производство просто с карбона и с создания ткани с переплетениями волокон было бы настоящим, но труднодостижимым, подвигом. Вместо использования карбона в качестве сырья, заводы по производству текстиля начинают с пластмасс с более сложным молекулярным составом, где толщина нити меньше толщины человеческого волоса. Затем требуется выполнить ряд определенных действий, начиная от термообработки и заканчивая химической обработкой. Окончательным результатом этих сложных процессов является доводка состава полимерных материалов до его самой эмпирической формы – формы чистого карбона.
Карбон часто замеряется и продается с ориентиром на несколько критериев, на тип плетения волокон, на абсолютные значения (измерение прочности отдельно взятого волокна) и вес ткани. Все замеры идут в унциях на квадратный ярд, плюс указывается количество волокон (обычно в диапазоне от 3 000 до 12 000 волокон).
Какие существуют типы переплетения?
Однонаправленное плетение:
Однонаправленное плетение подразумевает направление всех карбоновых жгутов (волокон) в одном и том же направлении. Плетение в этом стиле не является видимым невооруженному глазу. Поскольку плетение, как таковое, отсутствует, нити волокна необходимо как-то удерживать вместе. И в этом случае необходимо протягивать другую нить по диагонали или перпендикулярно так, чтобы ткань оставалась гладкой и равномерной (и этот элемент плетения не является конструкционным). В результате того, что жесткость ткани обеспечивается только в одном направлении, такой тип плетения редко применяется в автоспорте, где нагрузка может идти в любом направлении.
Двунаправленное плетение волокон:
Карбон двунаправленного плетения – это базовый и наиболее часто встречающийся тип переплетения волокна. Жгуты переплетаются друг с другом под требуемым углом, за счет чего ткань получает структуру типа «шахматная доска», где нити полотна прокладываются боком и по вертикали. В этом случае все волокна направлены таким образом, чтобы нагрузка могла налагаться в любом направлении, при этом композитный материал должен сохранять свою прочность.
Плетение по диагонали в две через две нити
Плетение по диагонали в две через две нити – это самый распространенный тип плетения карбона, который повсеместно применяется в автоспорте. Это плетение немного сложнее по сравнению с двунаправленным волокном, поскольку две нити проходят над другими двумя нитями, либо одна над двумя или две над одной. В результате такого переплетения нитей на ткани создается рисунок «елочка». Из-за того, что плетение две через две нити по диагонали идет как с вертикальными, так и с горизонтальными нитями (нить основы и уток), ткань становится очень гибкой и может принимать различные сложные формы. При работе с карбоном этого типа плетения не требуется выполнять такие работы, как «пакетирование», «растягивание» или резка.
Плетение по диагонали в четыре через четыре нити
Аналогично плетению по диагонали в две через две нити, а именно в четыре через четыре нити, этот тип относится к двустороннему переплетению по диагонали, где один жгут включает в себя четыре нити. В результате ткань не настолько плотная по сравнению с плетением в две через две нити, но в случае с изогнутыми поверхностями достигается лучший коэффициент покрытия, поскольку между фактическими точками переплетения «над и под» расстояние больше, что эффективнее, поскольку в этом случае достигается меньшее количество жестких швов. Благодаря этому покрытие карбоном изогнутых литых форм становится простым.
Прорезиненное переплетение
Прорезиненная карбоновая ткань – это очень специфический способ изготовления ткани, который встречается намного реже по сравнению со всеми типами плетения, которые мы обсуждаем. Прорезиненное плетение волокон означает, что каждая прядь состоит от 3000 до 12000 нитей, при этом каждая нить выкладывается плотно в ряд, одна за другой, образуя тончайшую карбоновую ленту. Стандартные пряди соединяются вместе посредством нескольких слоев карбоновых нитей. Прорезиненную ткань можно определить за счет наличия широких открытых участков. За счет шахматного порядка двунаправленного карбонового волокна со структурой прорезиненной ткани образуются квадратные участки размером один дюйм.
Поскольку за счет крупного размера этих участков переплетения ткань теряет в своей плотности, точки плетения «над и под» находятся на большом расстоянии друг от друга. Итак, точки пересечения нитей находятся на расстоянии друг от друга, частота изменения направления сильно снижена, и ткань может намного плотнее прилегать к поверхности.
Как было описано на сайте, английском поставщике материалов и полимеров, «прорезиненные ткани набирают свою популярность в сфере применения высокотехнологичных композитов благодаря своему невероятно плоскому профилю, который практически исключает так называемый «копир-эффект» и эффект проявления определенной текстуры на поверхностях, требующих идеальной гладкости (например, крылья самолета).
Поскольку слой ткани намного тоньше, можно накладывать слой поверх другого слоя и тем самым достичь необходимых прочностных характеристик. Этот тип карбона часто используется в тех сферах, где аэродинамические характеристики преобладают над прочностными. Прорезиненная ткань имеет внешний вид, отличный от стандартного, который сразу вызывает или любовь, или ненависть.
Различные смолы
Карбоновая ткань является только одной составляющей композитного материала, на который ссылаются, когда говорят об автоспорте и гонках на треках. Другим важным компонентом является смола, которая обогащает саму ткань и придает ей фактическую жесткость. Смолы применяются в различных полимерных «блюдах». Два наиболее часто используемых материала - это эпоксидная смола и полиэфирная смола. Любой, кто когда-либо работал со стекловолокном, чтобы просто починить хоть свою доску для серфинга, хоть деталь от автомобиля, знает, что эта смола может оказаться самой настоящей проблемой. Летучие органические соединения (ЛОС) – это пары, которые являются отличительной чертой многих вид смол, хотя в свободном доступе есть и такие, в которых эти химические составляющие, способные повредить ваш мозг, не применяются. Практически всем известен обратный эффект работы со смолой, когда надлежащие средства индивидуальной защиты не используются, но при этом развивается гиперчувствительность и аллергия. И эти случаи стали уже настолько привычными, что мы часто слышим анекдоты про людей, не способных находиться в помещении, в котором идет работа со смолой.
Эпоксидная смола
Эпоксидная смола – это самая распространенная многоцелевая структурная смола. Как и в случае с практически всеми типами смол, это двухкомпонентный раствор из смолы и катализатора. Время реакции варьируется, но при этом напрямую зависит от условий окружающей среды. Срок годности (рабочее время), в основном, составляет от пяти до тридцати минут. В общем, тепловое воздействие всегда ускоряет процесс «созревания», но весь процесс схватывания обычно занимает, ни много, ни мало, а целые сутки (24 часа) – если на смесь никак не воздействовать. По сравнению с полиэфирной смолой эпоксидная смола отличается более высокой прочностью, но требует терпения при работе с ней.
Полиэфирная смола
Полиэфирная смола – это более дешевая альтернатива эпоксидной смоле, с быстрым временем схватывания. В основном, она используется в тех ситуациях, когда структурная целостность уступает эстетической стороне вопроса, как утверждают специалисты с сайта easycomposites.co.uk: «Тем не менее, существуют ситуации, в которых многослойная структура имеет наименьшее значение, а такие свойства, как внешний вид, стойкость к УФ излучению и цена, стоят на первом месте по своей значимости».
Препреги (ткани с предварительной пропиткой)
Некоторые ткани из карбона могут выпускаться, как предварительно пропитанные раствором смолы, где катализатором выступает термообработка. Препреги используются во многих промышленных сферах, занятых производством композитов, поскольку их применение не требует выполнения каких-то сложных процессов, а при непосредственной работе беспорядок сведен к минимуму: нужно всего лишь смешать смолы и уложить влажную ткань слоями.
Препреги также являются предпочтительным материалом в тех сферах промышленности, где вес играет важную роль. К таким сферам относится авиация, где большая часть от массы деталей приходится на смолу, а не на ткань. С учетом того минимума, который нужен для тщательной и равномерной пропитки ткани смолой, препрег может применяться для создания самой прочной и легковесной конструкции.
Производственные процессы
Влажные выкладки
Традиционно небольшие детали выкладываются во влажном состоянии, вместе с вогнутой формой, затем создается пробка (но это уже другая история). Сухая ткань размещается внутри формы. Смола наносится малярной кистью до тех пор, пока ткань не будет ей насквозь пропитана или насыщена. Следующие слои ткани кладутся поверх первого слоя, при этом нужно соблюдать направление плетения: 45 градусов для двунаправленного плетения и 90 градусов для ткани с саржевым переплетением. Если слои ткани не совпадают по направлениям, на выходе деталь потеряет свою жесткость по одной оси, а по другой будет слишком усилена.
Уложив, таким образом, столько слоев ткани, сколько необходимо для получения нужной толщины, излишек смолы соскребается с помощью скребка так, будто вы убираете воду со своего ветрового стекла. Затем деталь подвергается обработке в вакуумном мешке под низким давлением. В результате смола заполняет все оставшиеся воздушные пустоты, вытесняя тем самым мельчайшие воздушные пузырьки, а излишки смолы уходят.
В некоторых случаях все эти манипуляции выполняются в обратном порядке. Сухая ткань подвергается обработке в вакуумном мешке в форме, и только затем наносится смола. Благодаря этому методу отходы и грязь отсутствуют. На финальном этапе проходит термообработка. Все детали «запекаются» внутри духовки под давлением, так называемом автоклаве, и смола полностью схватывается.
Хотя большинство не имеет доступа к специализированному оборудованию, такие процедуры, как обработка в вакуумном мешке и запекание в автоклаве являются факультативными для рабочих деталей, структура которых не должна отвечать специфическим требованиям.
Сферы применения
Карбон набрал свою силу в автомобильной сфере промышленности. На вторичном рынке карбон – это материал, который чаще всего используется для покрытия деталей. Кузовные детали, детали для внутренней отделки салона – и все это выполнено из карбона, который обеспечивает автомобилю внешний вид высочайшего класса. Функционально детали из карбона применяются практически во всех сферах – начиная от автомобильной промышленности, продолжая судостроением и заканчивая авиацией.
Карбон используется в постройке гоночных кресел, карданных валов, таких защитных приспособлений, как шлемы и средства пассивной безопасности (подголовники), и даже технология производства составных пружин начинает применять карбон для систем подвесок.
Карбон – это не панацея
Привлекательность карбона настолько высока для многих, что сегодня существует тенденция неверного использования этого материала в тех сферах, где наилучшим решением до сих пор является металлический сплав. Карбон, а особенно смола, плохо переносят работу в высокотемпературной среде, с теплозащитой, с компонентами выхлопной системы или любыми другими деталями двигателя. Когда в этих случаях карбон выбирается в качестве исходного материала, следует очень тщательно проводить оценку рабочих условий. Существуют жаропрочные смолы, но сфера их применения до сих пор имеет свои ограничения.
Сопротивление удару
Карбон может похвастаться тем, что эта (уже ставшая крылатой) фраза полностью отвечает его сущности: чем легче алюминий, тем прочнее сталь. Хотя это действительно правда, важно понимать, что речь идет о прочности на разрыв, а не об ударной вязкости или жесткости. С инженерной точки зрения «ударная вязкость» - это технический термин, который говорит об износостойкости, поскольку этот композит является армированным слоистым полиэстером, сопротивление удару которого - низкое. И даже слабый точечный удар может привести к отслаиванию и, в кончено итоге, выходу материла из строя. По этой причине карбон не может применяться для создания износостойких или многоразовых опорных плит седельно-сцепного устройства удовлетворительного качества, для производства различных компонентов подвески или любых других деталей, которые эксплуатируются в условиях максимальной нагрузки.
Проводимость
Карбон является проводимым материалом! Чистый карбон чрезвычайно эффективно передает тепло сам по себе. Например, капот автомобиля, выполненный из карбона, может очень быстро нагреваться на солнце до нескольких сот градусов. Ультрафиолетовые лучи могут повредить композит: придать ему желтый оттенок или стать причиной растрескивания смолы, поэтому деформация является распространенным дефектом. В авиации многие запчасти из карбона покрываются глянцевой белой краской, поскольку тепло, образующееся от воздействия УФ лучей, может деформировать раму, оказать негативное воздействие на аэродинамические характеристики. Кроме того, УФ лучи могут как-то иначе изменить структуру самолета.
Карбон – это еще и электропроводящий материал. Возможно, вас смутит то, каким же образом композит на основе пластмассы может вдруг стать электропроводящим, но ткань из чистого карбона «прокладывает» своеобразный путь электричеству, даже если карбон обогащен изоляционным полимером. Когда карбон выбирается в качестве поверхности для электроники или в качестве кожуха охлаждающего вентилятора, убедитесь в наличии заземления, которое не должно «проходить» через карбон. Анекдот из жизни: мы как-то были свидетелями чуть не начавшегося возгорания в двигателе владельца грузовика Geiser Trophy, поскольку он просто-напросто не верил, что карбон является проводимым материалом, а возгорание смолы – это вам не шутки.
Работа с карбоном
Если стекловолокно когда-нибудь попадало вам на кожу, то вы знаете, как сильно раздражают эти невидимые глазу частички. А карбон гораздо хуже! Избегайте прикасаться голыми руками к рваным краям карбона и к рубленому волокну.
При заказе ткани из карбона важно убедиться, что он поставляется в рулонах, как оберточная бумага. Карбон, упакованный «сложениями», будет иметь загибы и, в результате, конструкционная целостность его загнутых волокон будет нарушена. Соблюдайте эти инструкции при работе с материалом, и храните ткань в чистоте во избежание появления пыли и жирных отпечатков пальцев, обеспечивая при этом максимально правильную укладку. Смешивать смолу необходимо в небольших емкостях, что является нормой. Будьте внимательны, смолу нельзя смешивать в емкостях, покрытых воском. Воск вступает в реакцию со смолами, в результате чего смола затвердевает. Затвердевание смолы – это экзотермическая реакция, что значит нагнетание тепла в качестве побочного продукта в результате химической реакции. Смешивая большое количество смолы, убедитесь, что ее излишки находятся вне зоны хранения горючих материалов, иначе существует высокий риск возникновения пожара.
Заключение
Объем базовых знаний, которые мы даже не затронули в этой статье, просто огромен. Но мы надеемся, что этот общий обзор помог вам лучше представить себе, что такое карбон. Это крайне универсальный и прочный материал, если с ним обращаться с умом. Но если его использовать неверно, он становится самым настоящим бельмом на глазу. Создание простых деталей в домашних условиях не представляет собою никаких сложностей, но приготовьтесь выделить немного больше времени на работу с ним по сравнению со стекловолокном. Учитывайте в своем проекте все – цели, бюджет. И только потом принимайте решение, является ли карбон правильным выбором или вам просто хочется добавить эстетики своему автомобилю?
Данные взяты с сайта: tourerv.ru
Углепластик - это композиционный многослойный материал, представляющий собой полотно из углеродных волокон в оболочке из термореактивных полимерных (чаще эпоксидных) смол, Carbon-fiber-reinforced polymer .
Международное наименование Carbon — это углерод, из которого и получаются карбоновые волокна carbon fiber.
Но в настоящее время к карбонам относят все , в которых несущей основой являются углеродные волокна, а вот связующее может быть разным. Карбон и углепластик объединились в один термин, привнеся путаницу в головы потребителей. То есть карбон или углепластик — это одно и то же.
Это инновационный материал, высокая стоимость которого обусловлена трудоемким технологическим процессом и большой долей ручного труда при этом. По мере совершенствования и автоматизации процессов изготовления цена карбона будет снижаться. Для примера: стоимость 1 кг стали — менее 1 доллара, 1 кг карбона европейского производства стоит около 20 долларов. Удешевление возможно только за счет полной автоматизации процесса.
Применение карбона
Изначально карбон был разработан для спортивного автомобилестроения и космической техники, но благодаря своим отличным эксплуатационным свойствам, таким как малый вес и высокая прочность, получил широкое распространение и в других отраслях промышленности:
- в самолетостроении,
- для спортивного инвентаря: клюшек, шлемов, велосипедов.
- удочек,
- медицинской техники и др.
Гибкость углеродного полотна, возможность его удобного раскроя и резки, последующей пропитки эпоксидной смолой позволяют формовать карбоновые изделия любой формы и размеров, в том числе и самостоятельно. Полученные заготовки можно шлифовать, полировать, красить и наносить флексопечать.
Технические характеристики и свойства карбона
Популярность углепластика объясняется его уникальными эксплуатационными характеристиками, которые получаются в результате сочетания в одном композите совершенно разных по своим свойствам материалов — углеродного полотна в качестве несущей основы и в качестве связующего.
Армирующий элемент, общий для всех видов углепластика - углеродные волокна толщиной 0,005-0,010 мм, которые прекрасно работают на растяжение, но имеют низкую прочность на изгиб, то есть они анизотропны, прочны только в одном направлении, поэтому их использование оправдано только в виде полотна.
Дополнительно армирование может проводиться каучуком, придающим серый оттенок карбону.
Карбон или углепластик характеризуются высокой прочностью, износостойкостью, жёсткостью и малой, по сравнению со сталью, массой. Его плотность - от 1450 кг/м³ до 2000 кг/м³. Технические характеристики углеволокна можно посмотреть в плотности, температуры плавления и прочностных характеристик.
Еще один элемент, используемый для армирования вместе с углеродными нитями - . Это те самые желтые нити, которые можно видеть в некоторых разновидностях углепластика. Некоторые недобросовестные производители выдают за кевлар цветное стекловолокно, окрашенные волокна вискозы, полиэтилена, адгезия которых со смолами гораздо хуже, чем у углепластика, да и прочность на разрыв в разы меньше.
Кевлар-это американская торговая марка класса полимеров арамидов, родственных полиамидам, лавсанам. Это название уже стало нарицательным для всех волокон этого класса. Армирование повышает сопротивление изгибающим нагрузкам, поэтому его широко используют в комбинации с углепластиком.
Как делают карбоновые нити
Волокна, состоящие из тончайших нитей углерода, получают термической обработкой на воздухе, то есть окислением, полимерных или органических нитей (полиакрилонитрильных, фенольных, лигниновых, вискозных) при температуре 250 °C в течение 24 часов, то есть практически их обугливанием. Вот так выглядит под микроскопом углеродная нить после обугливания.
После окисления проходит карбонизация - нагрев волокна в среде азота или аргона при температурах от 800 до 1500 °C для выстраивания структур, подобных молекулам графита.
Затем проводится графитизация (насыщение углеродом) в этой же среде при температуре 1300-3000 °C. Этот процесс может повторяться несколько раз, очищая графитовое волокно от азота, повышая концентрацию углерода и делая его прочнее. Чем выше температура, тем прочнее получается волокно. Этой обработкой концентрация углерода в волокне увеличивается до 99%.
Виды волокон карбона. Полотно
Волокна могут быть короткими, резаными, их
называют
«штапелированными», а могут быть непрерывные нити на бобинах.
Это могут быть жгуты, пряжа, ровинг, которые затем используются для изготовления тканого и нетканого полотна и лент. Иногда волокна укладываются в полимерную матрицу без переплетения (UD).
Так как волокна отлично работают на растяжение, но плохо на изгиб и сжатие, то идеальным вариантом использования углеволокна является применение его в виде полотна Carbon Fabric.
Оно получается различными видами плетения: елочкой, рогожкой и пр., имеющими международные названия Plain, Twill, Satin. Иногда волокна просто перехвачены поперек крупными стежками до заливки смолой. Правильный для углепластика по техническим характеристикам волокна и виду плетения очень важен для получения качественного карбона.
В качестве несущей основы чаще всего используются , в которых полотно укладывается послойно, со сменой направления плетения, для равномерного распределения механических свойств ориентированных волокон. Чаще всего в 1 мм толщины листа карбона содержится 3-4 слоя.
Достоинства и недостатки карбона
Более высокая цена карбона по сравнению со стеклопластиком и стекловолокном объясняется более сложной, энергоемкоймногоэтапной технологией, дорогими смолами и более дорогостоящим оборудованием (автоклав). Но и прочность с эластичностью при этом получаются выше наряду со множеством других неоспоримых достоинств:
- легче стали на 40%, легче алюминия на 20% (1,7 г/см3 — 2,8 г/см3 — 7,8 г/см3),
- карбон из углерода и кевлара немного тяжелее, чем из углерода и резины, но намного прочнее, а при ударах трескается, крошится, но не рассыпается на осколки,
- высокая термостойкость: карбон сохраняет форму и свойства до температуры 2000 ○С.
- обладает хорошими виброгасящими свойствами и теплоемкостью,
- коррозионная стойкость,
- высокий предел прочности на разрыв и высокий предел упругости,
- эстетичность и декоративность.
Но по сравнению с металлическими и деталями из стекловолокна карбоновые детали имеют недостатки:
- чувствительность к точечным ударам,
- сложность реставрации при сколах и царапинах,
- выцветание, выгорание под воздействием солнечных лучей, для защиты покрывают лаком или эмалью,
- длительный процесс изготовления,
- в местах контакта с металлом начинается коррозия металла, поэтому в таких местах закрепляют вставки из стекловолокна,
- сложность утилизации и повторного использования.
Как делают карбон
Существуют следующие основные методы изготовления изделий из углеткани.
1. Прессование или «мокрый» способ
Полотно выкладывается в форму и пропитывается эпоксидной или полиэфирной смолой. Излишки смолы удаляются или вакуумформованием или давлением. Изделие извлекается после полимеризации смолы. Этот процесс может проходить или естественным путем или ускоряется нагревом. Как правило, в результате такого процесса получается листовой углепластик.
2. Формование
Изготавливается модель изделия (матрица) из гипса, алебастра, монтажной пены, на которую выкладывается пропитанная смолой ткань. При прокатке валиками композит уплотняется и удаляются излишки воздуха. Затем проводится либо ускоренная полимеризация и отверждение в печи, либо естественная. Этот способ называют «сухим» и изделия из него прочнее и легче, чем изготовленные «мокрым» способом. Поверхность изделия, изготовленного «сухим» способом, ребристая (если его не покрывали лаком).
К этой же категории можно отнести формование из листовых заготовок - препрегов.
Смолы по своей способности полимеризоваться при повышении температуры разделяются на «холодные» и «горячие». Последние используют в технологии препрегов, когда изготавливают полуфабрикаты в виде нескольких слоев углеткани с нанесенной смолой. Они в зависимости от марки смолы могут храниться до нескольких недель в неполимеризованном состоянии, прослоенные полиэтиленовой пленкой и пропущенные между валками для удаления пузырьков воздуха и лишней смолы. Иногда предпреги хранят в холодильных камерах. Перед формованием изделия заготовку разогревают, и смола опять становится жидкой.
3. Намотка
Нить, ленту, ткань наматывают на цилиндрическую заготовку для изготовления карбоновых труб. Кистью или валиком наносят послойно смолу и сушат преимущественно в печи.
Во всех случаях поверхность нанесения смазывается разделительными смазками для простого снятия получившегося изделия после застывания.
Можно ли сделать углепластик своими руками
Изделия на основе углеволокна можно формовать и самим, что уже давно и успешно применяется при ремонте велосипедов, спортивного инвентаря, тюнинге автомобилей. Возможность экспериментировать с наполнителями для смолы, со степенью ее прозрачности предоставляет широкое поле для творчества любителям автотюнинга карбоном. Подробнее об основных методах изготовлении деталей из карбона можно почитать .
Как следует из описанной выше технологии, для формования необходимо:
- форма-матрица,
- углеродное полотно,
- смазка для формы для легкого съема готовой заготовки,
- смола.
Где брать углеткань? Тайвань, Китай, Россия. Но в России это относится к «конструкционным тканям повышенной прочности на основе углеволокна». Если найдете выход на предприятие, то вам очень повезло. Много компаний предлагают готовые наборы для отделки автомобилей и мотоциклов карбоном «Сделай сам», включающих фрагменты углеткани и смолу.
70% мирового рынка углеткани производят тайваньские и японские крупные бренды: Mitsubishi, TORAY, TOHO, CYTEC, Zoltec и пр.
В общих чертах процесс изготовления углепластика своими руками выглядит так:
- Антиадгезивом смазывается форма.
- После его высыхания наносится тонкий слой смолы, на который прикатывается или прижимается углеткань, для выхода пузырьков воздуха.
- Затем наносится еще один слой смолы для пропитки. Можно нанести несколько слоев ткани и смолы, в зависимости от требуемых параметров изделия.
- Смола может полимеризироваться на воздухе. Это происходит обычно в течение 5 дней. Можно поместить заготовку в термошкаф, нагретый до температуры 140 – 180 ◦С, что значительно ускорит процесс полимеризации.
Затем изделие извлекаем из формы, шлифуем, полируем, покрываем лаком, гелькоутом или красим.
Надеемся, вы нашли исчерпывающий ответ на вопрос «Что такое карбон»?
Ирина Химич, технический консультант
Для многих автолюбителей желание тюнинговать свой автомобиль стало по-настоящему навязчивой идеей. Хочется изменить своего «железного коня», сделать его более ярким, непохожим на остальных. Так, одним из наиболее популярных направлений внешнего и внутреннего тюнинга является использование карбона. Но какой он этот материал, какие у него есть преимущества и недостатки, как его можно использовать. Давайте разберемся с этими вопросами более подробно.
Что такое карбон и чем он отличается от углепластика?
Производство столь популярного композитного материала было налажено уже давно. В начале 20 века, англичане из Фарнборо продемонстрировали публике первые детали, выполненные из этого чудо-материала. В его основе - огромное число переплетенных углеродных нитей, которые крепятся между собой с помощью эпоксидной смолы. Чтобы придать материалу максимальной прочности они укладываются под определенным углом друг к другу. Именно углеродные нити являются основным элементом этого композитного материала. Несмотря на свою минимальную толщину, их невозможно сломать или порвать. Рисунок современного стекловолокнистого полимера может быть выполнен в виде рогожи, елочки и прочих фигур.
Карбоновый задний диффузор
Карбон активно применяется во многих сферах жизни, но в тюнинге автомобилей больше всего. Из этого материала изготавливаются спойлеры, капоты, различные элементы салона и кузова. Если вы собрались строить сверхоблегченный корч, то использование этого углеродного материала просто необходимо. Кроме этого, карбон нашел свое применение не только в авто – его активно используют для производства основных деталей катеров, снегоходов, мотоциклов и других видов транспорта.
Преимущества и недостатки углепластика
Материал «карбон» достаточно специфичен по своей структуре и особенностям, поэтому у него есть, как положительные, так и отрицательные стороны. К основным преимуществам можно отнести легкость и прочность. Что касается прочности, то благодаря особому плетению нитей, этот композитный материал и вовсе не уступает многим современным металлам. Вес карбона почти вполовину меньше, чем у стали и на 1/5 меньше, чем у алюминия.
Карбон: какая прочность на разрыв?
Слышали об уникальной прочности стекловолокна? Так вот, деталь, выполненная из карбона, обладает гораздо лучшими характеристиками в этом отношении. Поэтому именно этот композит применяется в автоспорте, где особое внимание уделяется безопасности пилотов и достижению результата. Любое снижение веса болида при сохранении максимального уровня прочности – это только плюс.
Дверь и капот
Насколько этот углепластик прочнее металла?
Но есть у карбона и явные недостатки. Многих любителей тюнинга от покупки углепластиковых элементов "отговаривает" высокая стоимость. Если сравнивать с тем же стекловолокном, то карбон намного дороже. В качестве причины можно привести как раз уникальную технологическую сложность процесса производства. Да и сами исходные материалы обходятся производителям в «копеечку». К примеру, склеивание различных слоев в материале осуществляется с помощью качественных и дорогих смол. Кроме того, компании-производители для выпуска карбона вынуждены закупать специализированное и дорогостоящее оборудование.
Задний спойлер
Но это не все недостатки популярного материала для тюнинга. Как показывает практика, этот композитный материал очень боится точечных и сильных ударов. Достаточно сильного воздействия даже мелкого камешка, чтобы насквозь пробить карбоновый элемент автомобиля. Уже через несколько лет эксплуатации тот же капот может иметь вид настоящего решета. Кроме этого, карбон очень не любит солнечных лучей. Если не прятать автомобиль в гараж и оставлять его на улице, то скоро первоначальный цвет будет утерян.
Каркас и растяжки
Мы уже упоминали о чувствительности этого композита к различным ударам. Так вот, при повреждении данный материал невозможно постановить. Единственным выходом для автолюбителя является только полная замена детали, а это, как вы уже поняли, серьезные затраты.
Капот из углеволокна
Возможна ли имитация карбона?
Обычному автолюбителю все равно, насколько прочным или легким является карбон. Главное, что он очень красиво смотрится – именно это привлекает любителей тюнинга. Поэтому нет необходимости использовать оригинальный дорогостоящий материал – достаточно его имитации.
Дверные ручки "под-карбон"
Пленки ПВХ
Сегодня можно имитировать карбон несколькими различными методами. Наибольшую популярность (именно по причине своей доступности) получила специальная ПВХ пленка , дублирующая оригинальный рисунок. Подобных «заменителей» сегодня множество, в самом различном исполнении. С помощью строительного фена и пленки можно оклеить практически любую деталь интерьера и экстерьера автомобиля, придав ей необычный вид карбона. Конечно, обтянуть мелкие элементы с первого раза не всегда получается, но если потренироваться, то даже эта задача становится выполнимой. Если в работе все-таки возникают проблемы, то всегда можно обратиться к мастерам своего дела. Организаций, которые занимаются подобным видом тюнинга, сегодня достаточно.
Аквапечать
Второй вариант имитации карбона – так называемая аквапечать . Здесь также осуществляется обклейка специальной пленкой, но накладывается она под давлением воды. Сделать такую работу в «гаражных» условиях уже не получится – необходимо дополнительное оборудование. Преимущество такого метода заключается в более высоком качестве тюнинга. При этом пленку, в отличие от прошлого метода, можно наносить даже на самые "фигуристые" детали. Если обработка выполнена качественно и с соблюдением технологии, то внешний вид нисколько не будет отличаться от настоящего карбона.
К слову, формулировка «кузов или салон под карбон» сегодня очень популярна. Так вот, это совсем не значит, что элементы выполнены из дорогостоящего материала – просто сделана обтяжка специальной пленкой посредством одной из технологий, описанных выше.
Аэрография "под-карбон"
Раз мы уже начали описывать все варианты имитации, то должны упомянуть и третий способ – нанесение аэрографии. Конечно, по конечному внешнему виду данный метод хуже, чем два предыдущих, но в определенных кругах автолюбителей он также пользуется популярностью. Аэрограф, к сожалению, не способен с точностью передать рисунок композита – именно с этим и возникают определенные проблемы.
Как сэкономить на покупке и какова цена вопроса?
В любом случае композитный тюнинг сегодня очень популярен. Немного затрат и можно преобразить свой автомобиль, сделать его узнаваемым и ярким. кроме этого, карбоновая пленка, нанесенная на внешние элементы кузова, способна защитить металл и краску от внешних воздействий. Бесспорно, лучше использовать натуральный карбон или углепластиковый полимер. Но если необходимой суммы в наличии нет, то пленка "под-карбон" – лучший вариант.
