Углеродное волокно: что это такое, виды, свойства материалов и композитов

Что такое углеродное волокно?

Углеродное волокно — это высокоэффективный материал, состоящий из длинных тонких нитей атомов углерода — каждая нить имеет диаметр примерно пять-десять микрометров, тоньше человеческого волоса. Эти нити соединены вместе в кристаллическую структуру, выровненную вдоль оси волокна, и именно это придает углеродному волокну такое замечательное соотношение прочности и веса. Материал не металл, не пластик и не керамика. Он принадлежит к категории передовых инженерных материалов, определяемых его элементным составом: более 90% углерода по весу.

Углеродное волокно почти всегда используется в качестве армирования матричного материала (чаще всего эпоксидной смолы) для формирования так называемого композита из углеродного волокна. Сама по себе одна нить углеродного волокна хрупкая, и с ней трудно обращаться. Но когда тысячи нитей вплетаются в ткань или укладываются параллельно, а затем заливаются связующей смолой, полученная композитная панель или конструкция становится одним из самых прочных, жестких и легких инженерных материалов, доступных сегодня.

Условия углеродное волокно и углеродное волокно обратитесь к одному и тому же материалу — разница в написании просто американский английский и британский английский. Точно так же «композит из углеродного волокна» и «полимер, армированный углеродным волокном» (CFRP) часто используются как взаимозаменяемые в инженерном и производственном контексте.

Из чего сделано углеродное волокно?

Сырье, используемое для производства углеродного волокна, называется предшественник . Доминирующим прекурсором в коммерческом производстве является полиакрилонитрил (ПАН) , синтетический полимер, на долю которого приходится примерно 90–95% всего углеродного волокна, производимого в мире. Остальное производится из пека (производного нефтяного или каменноугольного дегтя) или, в особых случаях, из вискозы.

Производственный процесс превращает прекурсор в углеродное волокно посредством строго контролируемой последовательности этапов:

1. Стабилизация — ПАН-волокно нагревается на воздухе при температуре 200–300°С для окисления и стабилизации его структуры, предотвращая его плавление на следующем этапе.
2. Карбонизация — Стабилизированное волокно нагревается до 1000–1500°C в инертной (бескислородной) атмосфере, отгоняя большую часть неуглеродных атомов и оставляя после себя волокно, состоящее более чем на 90% из углерода.
3. Графитизация (опционально) — Для сверхвысокомодульных марок волокна дополнительно нагревают до 2500–3000°C, чтобы повысить кристалличность и жесткость за счет некоторой прочности на разрыв.
4. Обработка поверхности и калибровка — Волокна подвергаются поверхностной обработке для улучшения сцепления с матричными смолами, затем на них наносится тонкое защитное покрытие (проклейка) перед намоткой на катушки для транспортировки.

Этот энергоемкий производственный процесс является одной из причин, по которой сырье из углеродного волокна имеет значительную надбавку к стоимости по сравнению с традиционными металлами. Цепочка получения сырья из углеродного волокна — от мономера акрилонитрила через ПАН-волокно до готового жгута углеродного волокна — включает в себя множество стадий химической обработки, прежде чем волокно когда-либо попадет к производителю композитов.

Откуда берется углеродное волокно?

Мировое производство углеродного волокна сосредоточено среди небольшого числа крупных производителей. Япония исторически доминировала в отрасли, Торей Индастриз являясь крупнейшим производителем в мире, наряду с Teijin и Mitsubishi Chemical. Значительные мощности также существуют в США (Hexcel, Solvay) и Германии (SGL Carbon). Внутреннее производство в Китае быстро росло с середины 2010-х годов, при этом такие производители, как Zhongfu Shenying и Guangwei Composites, стали крупными мировыми поставщиками.

Химия сырья берет свое начало еще дальше: акрилонитрил — мономер, используемый для производства ПАН, — получают из пропилена, который получают в результате переработки нефти или природного газа. Таким образом, хотя углеродное волокно само по себе является высокотехнологичным материалом, его происхождение лежит в традиционной химии углеводородов. Углеродное волокно на основе пека получают непосредственно из побочных продуктов нефтепереработки или каменноугольной смолы, что делает его последующим продуктом переработки ископаемого топлива.

Прекурсоры биологического происхождения (такие как альтернативы ПАН, полученные из лигнина) являются активной областью исследований, но по состоянию на середину 2020-х годов ПАН, полученный из нефти, с большим отрывом остается коммерческим стандартом.

Виды углеродного волокна: марки и классификации

Не все углеродное волокно одинаково. Существует несколько способов классификации различных видов углеродного волокна, наиболее распространенным из которых является механическая степень и by предшественник type .

Классификация по механическим классам

Классификация по типу прекурсора

• Углеродное волокно на основе ПАН — Отраслевой стандарт; лучший баланс прочности на разрыв и модуля упругости. Используется в аэрокосмической, автомобильной, спортивной промышленности и ветроэнергетике.
• Углеродное волокно на основе смолы — Изготавливаются из нефти или каменноугольного пека; легче достигает сверхвысоких значений модуля и обеспечивает превосходную тепло- и электропроводность. Предпочтение отдается в приложениях управления пространством и температурным режимом.
• Углеродное волокно на основе вискозы — Ранний метод производства, который сейчас в значительной степени устарел для структурных применений; до сих пор используется в некоторых специализированных абляционных и изоляционных целях.

Помимо этих типов сердцевины, углеродные волокна также классифицируются по формату волокон: непрерывная буксировка (пучки тысяч параллельных нитей, обозначаемых как 1К, 3К, 6К, 12К, 24К или 48К в зависимости от количества нитей), тканая ткань (полотняное переплетение, саржа, атлас) и измельченное или измельченное волокно для использования в литьевых композитах.

Свойства материала углеродного волокна: насколько оно твердое и прочное?

Вопрос «насколько твердое углеродное волокно» требует различия между твердость и жесткость — два свойства, которые часто путают. Твердость относится к устойчивости к царапинам или вмятинам на поверхности; жесткость (модуль) относится к сопротивлению деформации под нагрузкой. Углеродное волокно имеет высокие показатели жесткости, но не является особенно твердым в традиционном смысле слова — поверхность композита из углепластика сравнительно легко поцарапать по сравнению с закаленной сталью или керамикой.

Определяющими свойствами материала углеродного волокна, которые делают его таким ценным, являются:

• Чрезвычайно высокая удельная жесткость — Нормальномодульное углеродное волокно имеет модуль упругости ~230 ГПа. Конструкционная сталь имеет давление ~ 200 ГПа. Углеродное волокно достигает этого с плотностью всего ~ 1,8 г/см³ по сравнению с 7,85 г/см³ стали, что дает ему соотношение жесткости к весу примерно в четыре раза выше, чем у стали.
• Очень высокая прочность на растяжение — Нити из углеродного волокна могут достигать предела прочности на разрыв 3500–7000 МПа в зависимости от марки по сравнению с примерно 400–550 МПа для конструкционной стали.
• Низкая плотность — Композитные конструкции из углеродного волокна при плотности 1,6–1,9 г/см³ примерно на 70–75 % легче аналогичных стальных деталей.
• Почти нулевое тепловое расширение — Углеродное волокно имеет очень низкий коэффициент теплового расширения (КТР), что делает его стабильным по размерам в широком диапазоне температур, что критически важно для аэрокосмической и прецизионной оптики.
• Электропроводность — В отличие от стекловолокна, углеродное волокно электропроводно, что является одновременно преимуществом (экранирование от электромагнитных помех, защита от удара молнии) и конструктивным соображением (гальваническая коррозия металлов).
• Химическая стойкость — Композиты из углеродного волокна устойчивы к большинству кислот, растворителей и воздействию окружающей среды, хотя воздействие ультрафиолета может со временем привести к разрушению матрицы смолы без защитных покрытий.

Основное ограничение – хрупкость при ударной нагрузке. Углеродное волокно не деформируется пластически перед разрушением, как это происходит с металлами, — оно ломается внезапно, что имеет значение для проектирования аварийных конструкций и устойчивости к повреждениям в инженерных приложениях.

Является ли углеродное волокно композитом? Какой именно материал представляет собой углеродное волокно?

Да, полимер, армированный углеродным волокном (CFRP), является композитным материалом. Технически термин «углеродное волокно» относится к самому волокну (этап армирования), в то время как материал, который большинство людей имеет в виду, когда говорят «углеродное волокно» в промышленном или потребительском контексте, представляет собой композит, образованный путем объединения этого волокна с матричной смолой. Это важное различие:

• Углеродное волокно = нить из чистого волокна, форма углерода
• Углеродное волокно composite = матрица из углеродного волокна (обычно эпоксидная смола, полиэстер или PEEK), сформированная в ламинат или формованную деталь

Композиционный материал по определению объединяет два или более составляющих материала со значительно разными физическими или химическими свойствами. В композитах из углеродного волокна волокно обеспечивает прочность на разрыв и жесткость, а смоляная матрица связывает волокна, распределяет нагрузки между ними и защищает их от вредного воздействия окружающей среды. Ни один из компонентов по отдельности не сможет достичь того же сочетания свойств, что и композит.

Наиболее распространенными матричными материалами в композитных материалах из углеродного волокна являются:

• Эпоксидная смола — Стандарт для аэрокосмических и высокопроизводительных конструкционных применений; отличная адгезия, низкое содержание пустот, хорошие механические свойства.
• Полиэстер и винилэстер — Более низкая стоимость, используется в морской, строительной и потребительской продукции, где абсолютные механические характеристики менее важны.
• Термопластичные матрицы (PEEK, PPS, нейлон) — Все чаще используется в автомобильной и аэрокосмической промышленности для повышения ударопрочности, возможности вторичной переработки и сокращения времени обработки.
• Керамические матричные композиты (КМК) — Углеродные волокна в керамической матрице для работы в условиях экстремальных температур, например, в горячих секциях реактивных двигателей и гиперзвуковых транспортных средствах.

Что сделано из углеродного волокна? Ключевые области применения

Ассортимент продукции из углеродного волокна значительно расширился с момента его появления в аэрокосмической отрасли. Сегодня композиты из углеродного волокна появляются во всех отраслях, где дизайнерам необходимо снизить вес без ущерба для структурных характеристик:

• Аэрокосмическая промышленность — Панели фюзеляжа, обшивка крыльев, переборки и внутренние конструкции коммерческих самолетов (Boeing 787 и Airbus A350 примерно на 50% состоят из углепластика).
• Автомобильная промышленность — Панели кузова, компоненты шасси, приводные валы, защитные конструкции и каркасы сидений в мощных, роскошных и все более массовых автомобилях.
• Энергия ветра — Крышки лонжеронов в лопастях ветряных турбин, где сочетание жесткости и легкого веса напрямую повышает эффективность улавливания энергии.
• Спортивные товары — Велосипедные рамы, теннисные ракетки, клюшки для гольфа, хоккейные клюшки, гребные весла и удочки — потребительский сектор, который первым сделал углеродное волокно широко известным.
• Медицинский — Протезирование, ортопедические корсеты, хирургические инструменты и оборудование для лучевой терапии (углеродное волокно рентгенопрозрачно, то есть через него проходят рентгеновские лучи).
• Гражданская инфраструктура — Пролеты мостов, облицовка колонн для сейсмостойкой модернизации и армирование бетона (карбоновая арматура не подвержена коррозии).
• Электроника и сосуды под давлением — Компоненты корпуса ноутбука и телефона для устройств высокого класса; баллоны для хранения сжатого газа и водорода для автомобилей на топливных элементах.

Мировой рынок углеродного волокна оценивался примерно в 5,5 миллиардов долларов США в 2023 году, и, по прогнозам, до 2030 года он будет расти совокупными годовыми темпами на 9–11%, что обусловлено, главным образом, развитием ветроэнергетики и требованиями к облегчению веса автомобилей, связанными с правилами выбросов.