Вуглепластыкі

З пляцоўкі Вікіпедыя
Jump to navigation Jump to search
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[правіць | правіць зыходнік]

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[1]), 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[правіць | правіць зыходнік]

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 %[2].

Вытворчасць[правіць | правіць зыходнік]

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[правіць | правіць зыходнік]

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)[правіць | правіць зыходнік]

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.

Зноскі

  1. Углепластик в автомобилестроении - плюсы и минусы. AutoRelease.ru. Архівавана з першакрыніцы 23 жніўня 2011.
  2. {{{загаловак}}}. — 1988. — ISSN 0134-921X.

Літаратура[правіць | правіць зыходнік]

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