Вуглепластыкі

Ліст з вугляпластыку

Вугляродная ламель (пултрузійная пласціна)

Вуглепластыкі (або карбон, карбонапластыкі, ад англ.: carbon — вуглярод) — палімерныя кампазіцыйныя матэрыялы з пераплеценых нітак вугляроднага валакна, размешчаных у матрыцы з палімерных (напрыклад, эпаксідных) смол. Шчыльнасць — ад 1450 кг/м3 да 2000 кг/м3.

Матэрыялы адрозніваюцца высокай трываласцю, калянасцю і малой масай, часта трывалей сталі, але значна лягчэй. Па удзельнай характарыстыках пераўзыходзіць высокатрывалую сталь, напрыклад, легированную канструкцыйную сталь 25ХГСА.

З прычыны дарагоўлі пры эканоміі сродкаў і адсутнасці неабходнасці атрымання максімальных характарыстык гэты матэрыял ўжываюць у якасці ўзмацняюць дапаўненняў у асноўным матэрыяле канструкцыі.

Асноўныя звесткі

Асноўная складаючая частка вугляпластыку — гэта ніткі вугляроднага валакна, які складаецца ў асноўным з атамаў вугляроду. Такія ніткі вельмі тонкія (прыкладна 0,005-0,010 мм у дыяметры), зламаць іх вельмі проста, а вось парваць дастаткова цяжка. З гэтых нітак сплятаюцца тканіны. Яны могуць мець розны малюнак пляцення (ялінка, рагожа і інш.).

Для надання яшчэ большай трываласці тканіны, ніткі вугляроду кладуць пластамі, кожны раз змяняючы кут напрамкі пляцення. Пласты змацоўваюцца з дапамогай эпаксідных смол.

Ніткі вугляроду звычайна атрымліваюць тэрмічнай апрацоўкай хімічных або прыродных арганічных валокнаў, пры якой у матэрыяле валакна застаюцца галоўным чынам атамы вугляроду. Тэрмічная апрацоўка складаецца з некалькіх этапаў:

1. Першы з іх уяўляе сабой акісленне зыходнага (поліакрыланітрыльнага, віскознага) валакна на паветры пры тэмпературы 250 °C на працягу 24 гадзін. У выніку акіслення ўтвараюцца лесвічныя структуры.
2. Пасля акіслення следуе стадыя карбанізацыі — нагрэву валакна ў асяроддзі азоту або аргону пры тэмпературах ад 800 да 1500 °C. У выніку карбанізацыі адбываецца утварэнне графітападобных структур.
3. Працэс тэрмічнай апрацоўкі заканчваецца графітызацыяй пры тэмпературы 1600-3000 °C, якая таксама праходзіць у інэртнай асяроддзі. У выніку графітызацыі колькасць вугляроду ў валакне даводзіцца да 99 %.

Акрамя звычайных арганічных валокнаў (часцей за ўсё віскозных і полиакрилонитрильных), для атрымання нітак вугляроду могуць быць выкарыстаны спецыяльныя валокны з фенольных смол, лігніну, каменнавугальных і нафтавых пекаў Акрамя таго, дэталі з карбону пераўзыходзяць па трываласці дэталі з шкловалакна, але, пры гэтым, абыходзяцца значна даражэй.

Дарагоўля карбону выклікана, перш за ўсё, больш складанай тэхналогіяй вытворчасці і большай коштам вытворных матэрыялаў. Напрыклад, для праклейкі слаёў выкарыстоўваюцца больш дарагія і якасныя смалы, чым пры працы з стеклонитью, а для вытворчасці дэталяў патрабуецца больш дарагое абсталяванне (да прыкладу, такое як аўтаклаў).

Недахопы

Пры вытворчасці вугляпластыкаў неабходна вельмі строга вытрымліваць тэхналагічныя параметры, пры парушэнні якіх трывальныя ўласцівасці вырабаў рэзка зніжаюцца. Неабходныя складаныя і дарагія меры кантролю якасці вырабаў (у тым ліку, ультрагукавая дэфектаскапія, рэнтгенаўская, токавіхравая, аптычная галаграфія і нават акустычны кантроль).

Іншым сур'ёзным недахопам вугляпластыку з'яўляецца іх нізкая ўстойлівасць па адносінах да ударных нагрузак. Пашкоджанні канструкцый пры ўдарах староннімі прадметамі (нават пры падзенні інструмента на яе) у выглядзе ўнутраных расколін і расслаенняў могуць быць нябачныя воку, але прыводзяць да зніжэння трываласці; разбурэнне пашкоджанай ўдарамі канструкцыі можа адбыцца ўжо пры адноснай дэфармацыі, роўнай 0,5 %.

Вытворчасць

Вугляпластык

• Прэсаванне. Вуглетканіна высцілаецца ў форму, папярэдне змазаную антыадгезівам (напрыклад, мыла, воск, воск у бензіне, Цыатым-221, крэмнійарганічаскія змазкі). Прамакаецца смалой. Лішкі смалы выдаляюць ў вакууме (вакуум-фармаванне) або пад ціскам. Смала полимеризуется, часам пры награванні. Пасля палімерызацыі смалы выраб гатовы.

• Кантактнае фармаванне. На прыкладзе вырабу бампера: бярэцца металічны зыходны бампер, змазваецца раздзяляльным пластом. Затым на яго напыляецца мантажная пена (гіпс, алебастр). Пасля зацвярдзення здымаецца. Гэта матрыца. Затым яе змазваюць раздзяляльным пластом і выкладваюць тканіна. Тканіна можа быць папярэдне прасякнутай, а можа прамакаецца пэндзлем або паліву непасрэдна ў матрыцы. Затым тканіна пракатваецца валікамі — для ўшчыльнення і выдалення бурбалак паветра. Затым полімерызацыі (калі ацвярджальнік гарачага отвержденія, то ў печы, калі няма, то пры пакаёвай тэмпературы 25 °C). Затым бампер здымаецца, калі трэба — шліфуецца і фарбуецца.
• Вакуумная інфузія. На падрыхтаваную матрыцу выкладваецца вугляродная тканіна (без насычэння), далей выкладваюцца тэхналагічныя пласты для раўнамернага распаўсюджвання злучнага. Пад тэхналагічны пакет падаецца разрэджанне. Пасля гэтага адкрываецца клапан падачы злучнага і яно, пад дзеяннем вакууму запаўняе пустэчы і насычае вугляродных тканіна.
• Вакуумнае фармаванне. Гэта змяненне формы плоскіх нарыхтовак (лістоў або плёнак) з тэрмапластычнага палімернага матэрыялу пры падвышаных тэмпературах і уздзеянні вакууму ў аб'ёмныя формованные вырабы. За кошт адносна невысокай кошту тэхналагічнай аснасткі, дадзеная тэхналогія аказваецца вельмі прывабнай пры вырабе партый вырабаў ад 10 да 5000 шт., а часам і да 30.000 шт.
• Пултрузія. Тэхналогія вырабу высоканапоўненых валакном кампазіцыйных дэталяў з пастаяннай папярочнай структурай. У цяперашні час актыўна выкарыстоўваецца ў вытворчасці палімерных кампазіцыйных матэрыялаў, напрыклад, для вытворчасці вугляродных ламелей (пласцін).
• Намотка. Сутнасць тэхналогіі заключаецца ў бесперапынным намотванні папярэдне прасякнутага ровінга/ў (шклянога, вугляроднага, базальтавага, камбінаванага) або стужкі на папярэдне падрыхтаваную форму – мандрель. Пасля намотвання неабходнай колькасці слаёў, мандрель з намотанными пластамі змяшчаецца ў награвальную печ для далейшай полімерызацыі.
• RTM. Сухі армавальны матэрыял укладваецца паміж двух частак герметычна закрытай жорсткай аснасткі. Злучнае нізкай глейкасці падаецца пад ціскам у прэс-форму, выцясняючы паветра ў бок дрэнажных каналаў да тых часоў, пакуль форма не будзе запоўненая. Прэс-формы для гэтай тэхналогіі, як правіла, вырабляюцца з металу з нізкім КЛТР. Дадзеная тэхналогія добра падыходзіць для дробнасерыйнай і серый сярэдніх аб'ёмаў ад 500 да 2 0000 вырабаў у год.
• LFI. Тэхналогія LFI (Long Fiber Injection - доўгавалаконная інжэкцыя) была распрацавана нямецкай фірмай Krauss Maffei ў 1995 годзе. Характарыстыка вытворчасці: інжэкцыя доўгага валакна, працэс выкарыстоўваецца для вытворчасці кампанентаў інтэр'еру і экстэр'ера аўтамабіляў, канструкцыя якіх мае складаную форму, буйныя габарыты і афарбаваную паверхню класа А. У гэтым працэсе сечаныя валакно з асембляванага ровінга, напыляют ў форму (матрыцу) з кантраляванай тэмпературай. У гэты ж час змешваецца вадкі ізацыянаты і полиол, падаецца сумесна з сечаным валакном у матрыцу. Усе гэтыя кампаненты напыляются ў форму (матрыцу), форма стульваецца і запаўняюцца шляхам пашырэння поліўрэтанавай пены ў выніку хімічнай рэакцыі уведзеных кампанентаў. Некалькі хвілін праз, полімерызацыя скончана і выраб можа быць вынята з матрыцы.
• SMC/BMC. Матэрыял наразаецца, у адпаведнасці са схемай раскрою, і пераносіцца ў прэс-форму, нагрэтую да працоўнай тэмпературы. Прэс-форма стульваецца, у выніку чаго пад ціскам матэрыял расцякаецца ў паражніны формы і атвярждаецца. У канцы цыклу выраб здабываецца з прэс-формы, і вырабляецца яго канчатковая механічная апрацоўка і афарбоўка (калі гэта неабходна).

Трубы і іншыя цыліндрычныя вырабы вырабляюць намотваннем. Форма валакна: нітка, стужка, тканіна. Смала: эпаксідная або поліэфірная. Магчыма выраб формаў з вугляпластыку ў хатніх умовах, пры наяўнасці вопыту і абсталявання.

вуглепластыковая падстаўка пад каву.

Прымяненне

Вуглепластыкі шырока выкарыстоўваюцца пры вырабе лёгкіх, але трывалых дэталяў, замяняючы сабой металы, у многіх вырабах ад частак касмічных караблёў да вудаў, сярод якіх:

Вугляпластыкавы неваляшка

• ракетна-касмічная тэхніка;
• авіятэхніка (самалётабудаванне, вертолетостроение (напрыклад, апорныя вінты));
• суднабудаванне (караблі, спартовае суднабудаванне);
• аўтамабілебудаванне (спартыўныя аўтамабілі (напрыклад, бамперы, парогі, дзверы, вечка капотаў), матацыклы, прататыпы MotoGP, баліды Формулы 1 (кокпіты і абцякальнікі), а таксама пры афармленні салонаў;
• навука і даследаванні;
• узмацненне жалезабетонных канструкцый;
• спартыўны інвентар (ролікавыя канькі, ровары, футбольныя буцы, хакейныя клюшкі, лыжы, лыжныя палкі і чаравікі, ракеткі для тэніса, падставы для настольнага тэніса, ляза канькоў, стрэлы, абсталяванне віндсерфінгу, моноласты), вёслы;
• медыцынская тэхніка;
• пратэзабудоўля
• рыбалоўныя снасці (вуды);
• прафесійныя фота - і відэаштатывы;
• бытавая тэхніка (аздабленне карпусоў тэлефонаў, ноўтбукаў, рукаяці складаных нажоў і інш);
• мадэлізм;
• музычныя інструменты (струны);
• выраб індывідуальных супінатараў (асабліва для спорту);
• інструменты для рукадзелля (вязальныя спіцы);
• карбон слаба паглынае рэнтгенаўскае выпраменьванне, таму з яго вырабляюць акенцы рэнтгенаўскіх і широкодиапазонных гама-дэтэктараў (праз якія выпраменьванне пранікае ў дэтэктар).

Палімеры, узмоцненыя вугляроднымі нанатрубкмі (CNRP)

Вугляродныя нанатрубкі, як аснова вугляпластыку ў некалькі разоў трывалей, гнутчэй чым гума і нават лягчэй чым O₂. Матэрыял моцна адрозніваецца ад звычайнага вугляроднага валакна. Такі выгляд вугляпластыку ужыты, у прыватнасці, у канструкцыі самалёта Lockheed Martin F-35 Lightning II.

Літаратура

• Справочник Дж. Любина «Композиционные материалы», М., 1988