Что такое углеродное волокно? Свойства, производственный процесс и применение

Что такое углеродное волокно

Углеродное волокно — это высокоэффективный материал, состоящий из тонких нитей атомов углерода, связанных вместе в кристаллической структуре, ориентированной параллельно длинной оси волокна. Каждая отдельная нить измеряется между Диаметр 5 и 10 микрометров — примерно одна десятая ширины человеческого волоса — тем не менее, этот материал известен тем, что обеспечивает исключительную прочность на разрыв и жесткость при весе в несколько раз меньше, чем у металлов.

В большинстве промышленных и коммерческих применений углеродное волокно не используется в качестве чистой нити. Тысячи этих нитей связываются в жгуты, которые затем вплетаются в ткань или складываются в листы и объединяются с матрицей из полимерной смолы — обычно эпоксидной — для производства полимера, армированного углеродным волокном (CFRP). Волокно обеспечивает прочность на разрыв и жесткость; смола связывает волокна вместе и передает нагрузки между ними. Полученный композитный материал превосходит большинство металлов по соотношению прочности и веса.

Стандартные коммерческие жгуты из углеродного волокна классифицируются по количеству нитей: 1К (1000 нитей), 3К, 6К, 12К, 24К и больше. Буксиры меньшего количества используются в высокопроизводительной аэрокосмической отрасли и производстве спортивных товаров; Жгуты большего количества используются в промышленности и строительстве, где экономическая эффективность важнее качества поверхности.

Объяснение свойств углеродного волокна

Свойства углеродного волокна существенно зависят от материала-прекурсора и производственного процесса, но стандартное углеродное волокно на основе ПАН (см. ниже) демонстрирует последовательный набор характеристик, которые определяют его привлекательность:

• Высокая прочность на растяжение: Углеродное волокно со стандартным модулем достигает прочности на разрыв 3500–7000 МПа, что значительно выше, чем у конструкционной стали (обычно 400–550 МПа).
• Высокая жесткость (модуль упругости): Углеродное волокно со стандартным модулем имеет модуль упругости около 230 ГПа; сверхвысокомодульные марки достигают 600–900 ГПа, значительно превосходя сталь (200 ГПа) и алюминий (70 ГПа).
• Низкая плотность: Углеродное волокно имеет плотность примерно 1,75–1,85 г/см³ по сравнению с 7,85 г/см³ для стали и 2,7 г/см³ для алюминия. Композиты из углепластика обычно имеют плотность 1,5–1,6 г/см³.
• Термическая стабильность: Углеродное волокно сохраняет свои механические свойства при температуре выше 2000°C в инертной атмосфере. В окислительных средах деградация поверхности начинается выше 400–500°С.
• Низкое тепловое расширение: Коэффициент теплового расширения углеродного волокна близок к нулю или слегка отрицателен вдоль оси волокна, что делает углепластик стабильным по размерам во всех температурных диапазонах, что является важнейшим свойством в аэрокосмической и точной приборостроении.
• Электропроводность: В отличие от стекловолокна, углеродное волокно проводит электричество. Это является преимуществом в некоторых приложениях (защита от электромагнитных помех, защита от удара молнии) и учитывается при проектировании в других (гальваническая коррозия при контакте с такими металлами, как алюминий).
• Низкая утомляемость: Композиты из углепластика демонстрируют превосходную устойчивость к циклическим нагрузкам по сравнению с металлами, что делает их хорошо подходящими для компонентов, подвергающихся повторяющимся нагрузкам.

Основным ограничением является хрупкость: углеродное волокно имеет низкую деформацию до разрушения (обычно 1,5–2%) и плохую устойчивость к ударам, перпендикулярным направлению волокна. В отличие от металлов, углепластик не подвергается пластической деформации перед разрушением — он ломается, часто без видимых предупреждающих знаков на поверхности материала.

Как производится углеродное волокно: производственный процесс

Производство углеродного волокна — это многоэтапный процесс термического и химического преобразования, который превращает предшественник полимера в практически чистую углеродную нить. Доминирующим предшественником является полиакрилонитрил (ПАН), на долю которого приходится более 90% мирового производства углеродного волокна . В остальном производстве используется пек (производное нефтяного или каменноугольного дегтя) или, в специализированных целях, вискоза.

Преобразование волокна-прекурсора ПАН в готовое углеродное волокно проходит пять последовательных стадий: стабилизация, карбонизация, графитизация (для высокомодульных марок), обработка поверхности и калибровка.

Объяснение процесса стабилизации

Стабилизация — это первый этап термического преобразования и самый трудоемкий этап процесса. Волокно-прекурсор ПАН проходит через серию окислительных печей при температуре от 200°С и 300°С в воздушной атмосфере. Процесс занимает от 30 до 120 минут в зависимости от типа волокна и конструкции печи.

Во время стабилизации линейные полимерные цепи ПАН подвергаются реакциям циклизации и сшивания, превращая термопластическую структуру в термостабильный лестничный полимер. Это структурное изменение имеет важное значение: без стабилизации волокно расплавится или сгорит во время последующего этапа высокотемпературной карбонизации. По мере стабилизации волокно темнеет от белого до золотисто-коричневого и черного. Натяжение поддерживается повсюду, чтобы предотвратить усадку волокон и сохранить ориентацию молекул.

Объяснение процесса карбонизации

После стабилизации волокно поступает в печи карбонизации, работающие при от 1000°С до 1500°С в инертной атмосфере азота. При этих температурах неуглеродные атомы — прежде всего водород, азот и кислород — отходят в виде газов (HCN, CO₂, H2O, NH₃ и др.). Содержание углерода в волокне увеличивается примерно с 65% в стабилизированном ПАН до более чем 92–95% в карбонизированном продукте.

Стадию карбонизации обычно делят на две зоны: низкотемпературную (до 700°С), где выделяется большая часть летучих побочных продуктов, и высокотемпературную зону (свыше 1000°С), где начинает развиваться турбостратная структура графита. Кристаллическое выравнивание, достигнутое на этом этапе, во многом определяет конечные механические свойства. Карбонизация проводится под напряжением, чтобы сохранить выравнивание волокон и максимизировать развитие предпочтительной кристаллографической ориентации вдоль оси волокна.

Объяснение процесса графитации

Графитизация — это необязательная высокотемпературная стадия, используемая для производства высокомодульных и сверхвысокомодульных марок углеродного волокна. Карбонизированное волокно нагревается до температур между 2500°С и 3000°С в инертной атмосфере аргона. При таких экстремальных температурах турбостратная (частично упорядоченная) углеродная структура реорганизуется в более упорядоченную графитоподобную кристаллическую структуру, при этом гексагональные плоскости углерода становятся больше и более точно выровнены с осью волокна.

Результатом является резкое увеличение модуля упругости — примерно с 230 ГПа для волокон со стандартным модулем до 400–900 ГПа для волокон со сверхвысоким модулем. Однако это увеличение жесткости достигается за счет прочности на разрыв и деформации до разрушения: графитированные волокна более жесткие, но более хрупкие. Не все приложения требуют графитации; Волокна стандартного и среднего модуля, используемые в большинстве аэрокосмических конструкций, не графитированы.

Обработка поверхности углеродным волокном

Углеродное волокно в состоянии производства имеет химически инертную поверхность, которая плохо связывается с полимерными смолами. Обработка поверхности — обычно электролитическое окисление — исправляет это путем введения на поверхность волокна кислородсодержащих функциональных групп (карбоксила, гидроксила, карбонила). В ходе процесса волокно проходит через ванну с электролитом при подаче контролируемого электрического тока.

В результате получается шероховатая, химически активная поверхность с значительно улучшенная адгезия к эпоксидным и другим смоляным системам . Межслойная прочность на сдвиг — устойчивость композита к расслоению между слоями — является основным свойством, улучшаемым при обработке поверхности. Без него композиты из углеродного волокна имели бы плохую адгезию с волокнистой матрицей и снижали бы механические характеристики, особенно при сдвиговой нагрузке.

Процесс калибровки углеродного волокна

Калибровка — это последний этап перед намоткой волокна на бобины или дальнейшей обработкой. Тонкое покрытие — обычно 0,5–5% по весу — проклеивающего вещества (обычно эпоксидно-совместимого полимера) наносится на поверхность волокна из эмульсионной ванны на водной основе.

Проклеивание выполняет несколько функций: оно защищает волокно от истирания во время последующих операций обработки и плетения, связывает волокна вместе для облегчения обработки и дополнительно способствует совместимости с системой смол, используемой в конечном композите. Рецептура проклеивающего средства обычно подбирается в соответствии с предполагаемой смолой — эпоксидная проклейка для эпоксидных композитов, проклейка, совместимая с термопластами, для композитов с термопластической матрицей. Несоответствие размеров может ухудшить механические характеристики композита, нарушая соединение волокон с матрицей.

ПАН против углеродного волокна

Два основных материала-предшественника углеродного волокна — ПАН (полиакрилонитрил) и пек — позволяют получить волокна с различными профилями свойств, подходящие для различных применений.

Углеродное волокно на основе ПАН доминирует на рынке, поскольку производственный процесс хорошо отлажен, обеспечивает стабильное качество волокна и производит прочный и универсальный продукт. ПАН-волокно обеспечивает наилучшее сочетание прочности на разрыв и жесткости для конструкционных применений. Волокно PAN со стандартным модулем (например, сорт Toray T300) является «рабочей лошадкой» в аэрокосмической, автомобильной и спортивной промышленности.

Углеродное волокно на основе смолы производится из изотропного или мезофазного пека — побочного продукта переработки нефти или каменноугольной смолы. Пековые волокна можно графитировать для достижения сверхвысоких модулей упругости (до 900 ГПа) и исключительной теплопроводности (до 1000 Вт/м·К по сравнению с примерно 10 Вт/м·К для волокна на основе ПАН). Эти свойства делают волокно на основе пека ценным в сателлитных конструкциях, компонентах терморегуляции и прецизионных оптических системах, где жесткость и стабильность размеров при температуре имеют большее значение, чем прочность на разрыв.

Углеродное волокно против стекловолокна

Углеродное волокно и стекловолокно (полимер, армированный стекловолокном, или GFRP) являются двумя наиболее широко используемыми композитными армирующими материалами, и их часто сравнивают, поскольку они используются в перекрывающихся приложениях в очень разных ценовых категориях.

Стекловолокно имеет модуль упругости примерно 70–85 ГПа — примерно треть стандартного углеродного волокна. Он значительно менее жесткий, а это означает, что компоненты из стеклопластика больше прогибаются при эквивалентных нагрузках. Однако стекловолокно имеет более высокую деформацию до разрушения (около 3–4%) и лучшую ударопрочность, чем углепластик, и оно стоит дороже. в 5-10 раз меньше на килограмм при сопоставимых уровнях производительности для менее требовательных приложений.

Стекловолокно также является электрически непроводящим и прозрачным для радаров и радиочастот — свойства, которые делают его предпочтительным выбором для обтекателей, морских корпусов, лопастей ветряных турбин и потребительского оборудования для водных видов спорта. Электропроводность углеродного волокна исключает его применение в тех случаях, когда требуется радиочастотная прозрачность.

Выбор между углеродным волокном и стекловолокном обычно сводится к требованиям к весу и жесткости относительно бюджета. Там, где минимальный вес и максимальная жесткость имеют решающее значение (например, в автоспорте, конструкциях высокопроизводительных самолетов и гоночных велосипедах), углеродное волокно является очевидным выбором. Там, где стоимость, ударопрочность или радиочастотная прозрачность имеют большее значение, доминирующим материалом остается стекловолокно.

Углеродное волокно против стали

Сравнение композитов из углеродного волокна и стали наиболее значимо с точки зрения удельной прочности (прочности на единицу веса) и удельной жесткости. По этим показателям углепластик существенно превосходит конструкционную сталь: углеродное волокно имеет удельная прочность на разрыв примерно в 5-10 раз выше, чем у стали а удельная жесткость в 3-4 раза выше.

В абсолютном выражении высокопрочная сталь может достигать предела прочности на разрыв более 2000 МПа, что конкурирует с некоторыми марками углеродного волокна, но при плотности более чем в четыре раза выше. Для применений, где вес критически важен, замена стального компонента эквивалентной конструкцией из углепластика обычно позволяет достичь Снижение веса на 40–60 % .

Сталь сохраняет важные преимущества. Он пластичен — перед разрушением он заметно деформируется, обеспечивая предупреждение и поглощение энергии. Углепластик хрупок и может привести к катастрофическому разрушению без видимой деформации поверхности. Сталь также намного дешевле, ее легко сваривать и ремонтировать, и она хорошо известна в практике проектирования конструкций. Для применений, где поглощение энергии удара, ремонтопригодность или стоимость являются основными факторами проектирования, сталь по-прежнему трудно заменить. Преимущества углеродного волокна наиболее убедительны в тех случаях, когда вес напрямую влияет на производительность или эксплуатационные расходы — в самолетах, спутниках, высокопроизводительных транспортных средствах и спортивном оборудовании для соревнований.

Углеродное волокно в аэрокосмической отрасли

Аэрокосмическая отрасль — это отрасль, в которой сочетание высокого соотношения прочности и веса, жесткости, усталостной прочности и термической стабильности углеродного волокна обеспечивает максимальную ценность. Каждый килограмм, исключенный из конструкции самолета, напрямую приводит к экономии топлива, грузоподъемности или дальности полета — экономика отдает предпочтение материалам премиум-класса, чего редко делают наземные приложения.

Boeing 787 Dreamliner, представленный в 2011 году, стал первым коммерческим самолетом с преимущественно композитной основной конструкцией: примерно 50% веса планера выполнено из углепластика. включая фюзеляж, крылья и хвостовое оперение. По сравнению с традиционной конструкцией, в которой преобладает алюминий, 787 обеспечивает примерно на 20% большую топливную экономичность. В Airbus A350 XWB используется аналогичная конструкция с преобладанием композитных материалов, при этом углепластик составляет около 53% веса конструкции.

В военной авиации углеродное волокно стало стандартом в конструкциях истребителей со времен F-16 и F/A-18 в 1970-х и 1980-х годах. В современных истребителях, таких как F-22 и F-35, большая часть конструкции планера изготовлена ​​из углепластика. В космических приложениях углеродное волокно используется для структурных панелей спутников, подложек солнечных батарей и корпусов ракетных двигателей, где сочетание малого веса, высокой жесткости и почти нулевого теплового расширения незаменимо.

Углеродное волокно в автомобилестроении

Внедрение углеродного волокна в автомобилестроении шло по четкой траектории: от гонок Формулы-1 в начале 1980-х годов, через производство суперкаров в 1990-х и 2000-х годах, к более широкому использованию в массовом производстве в 2010-х и далее.

McLaren представила первое монокок из углеродного волокна в Формуле 1 в 1981 году. Улучшение аварийных характеристик было немедленным и значительным: сочетание высокого поглощения энергии (за счет контролируемого разрушения) и жесткости кузова обеспечивало защиту водителя, с которой не могли сравниться алюминиевые монококи. Сегодня каждое шасси, панели кузова, пол и крыло Формулы 1 изготавливаются из углепластика.

Среди дорожных автомобилей модели BMW i3 и i8 (выпущенные в 2013–2014 гг.) представляли собой первые серийные автомобили с пассажирскими элементами из полимера, армированного углеродным волокном, произведенными с использованием процесса трансферного формования смолы в больших объемах. Модуль жизни углепластика BMW i3 весил примерно На 130 кг меньше, чем у эквивалентной стальной конструкции , что компенсирует значительную часть потери веса батареи.

Стоимость остается основным барьером на пути более широкого внедрения автомобилей. Сырье из углеродного волокна стоит примерно 20–30 долларов за килограмм (для стандартной марки), тогда как автомобильная сталь стоит менее 1 доллара за килограмм. Длительность цикла изготовления компонентов из углепластика, отверждаемых в автоклаве, — часов на деталь — несовместима с крупносерийным производством без значительных инвестиций в процесс. Компрессионное формование рубленого углеродного волокна и внеавтоклавные процессы уменьшают эти барьеры, а содержание углеродного волокна в автомобилях среднего класса неуклонно растет.

Углеродное волокно в спортивном инвентаре

Спортивное оборудование было одним из первых коммерческих рынков углеродного волокна за пределами аэрокосмической отрасли, движимым спортсменами и производителями, готовыми платить больше за повышение производительности. Преимущество материала в соотношении жесткости к весу непосредственно ощущается пользователем, чего трудно достичь с помощью любого альтернативного материала.

В соревновательном велоспорте рамы из углеродного волокна доминируют в профессиональном пелотоне с 1990-х годов. Рама высшего уровня для шоссейных гонок теперь весит меньше 700 грамм — по сравнению с 1,2–1,5 кг для алюминиевых аналогов — при этом обеспечивая превосходную жесткость при передаче мощности и настраиваемую податливость в определенных направлениях для комфорта водителя. Колеса, руль, подседельные штыри и шатуны из углеродного волокна еще больше снижают вес.

В теннисе рамы ракеток из углеродного волокна обеспечивают более высокую жесткость для передачи мощности при меньшем весе, чем алюминиевые или композитные альтернативы. Валы для гольфа из углеродного волокна обеспечивают более стабильный профиль гибкости и лучшее гашение вибраций, чем стальные валы, при этом снижая вес водителя. В гребле на элитном уровне весла и снаряды из углеродного волокна заменили деревянное и стекловолоконное оборудование.

Углеродное волокно также играет центральную роль в протезировании и адаптивном спортивном оборудовании. Беговое лезвие Össur Cheetah — протез из углеродного волокна, используемый паралимпийскими спринтерами — использует запас упругой энергии материала, чтобы имитировать функцию ахиллова сухожилия, обеспечивая скорость спринта, сравнимую со скоростью здоровых спортсменов. Лезвие накапливает энергию во время удара ногой и высвобождает ее во время отталкивания - функция, которая требует точного сочетания жесткости, гибкости и прочности, которые уникально обеспечивают композиты из углеродного волокна.