Грозит ли нам "карбонизация"?

Уникальность изделий из карбона

Но характеристики углепластика в ряде сфер производства уже смело подвинули другие материалы, например — сталь и алюминий.

Для примера можно взять изготовление велосипедных рам, среди которых долгое время на Олимпе был самый распространенный сплав алюминия 6061. Сегодня же практически нет отличия в цене велосипедов с карбоновыми и алюминиевыми рамами, и разрыв в стоимости сокращается, хотя многие приверженцы классики не сдаются и споры не утихают. А зря. Ведь карбон дает возможность производить велосипедные рамы замысловатой формы, что не всегда доступно для алюминия. По прочности же и жесткости карбоновые не уступают алюминиевым, а по весу и вовсе уже обогнали. Но если говорить о большом спорте или некоторых его видах, то не всё столь просто и однозначно, поскольку такое преимущество, как малый вес, например, при спуске не дает выигрыша по времени.

Практичность, эстетичность, стоимость

Многие пользователи принимают решение о любой покупке, ориентируясь на цену, — и пока карбоновые аналоги в ряде случаев стόят дороже. Но если выбирать по техническим параметрам и учитывать долговечность, стоит задуматься, поскольку изделия из углепластиков (карбона) обладают рядом неоспоримых преимуществ:

• жесткость и прочность на разрыв, а также большой предел упругости при малой плотности материала;

• инертность к химическим веществам и средам;

• крайне малый коэффициент термического расширения и высокая термостойкость (до + 2000 ⁰С);

• радиационная, коррозионная устойчивость и малая ползучесть;

• высокий показатель усталостной прочности;

• высокие эстетические качества.

Также одним из секретов популярности углепластиков у производителей является возможность создавать изделия разнообразных форм со сложными криволинейными профилями поверхности, что крайне сложно сделать даже с относительно пластичными металлами. Тем более что обычно области изгибов и соединений у изделий из металла представляют собой слабые места. В случае же с карбоном изделие может быть создано как монолитное без концентраторов нагрузки. Хотя есть нюансы с деталями, требующими резьбового соединения: как известно, карбон относится к не истираемым материалам, поэтому сделать на его поверхности качественную резьбу практически невозможно. Для таких случаев используются металлические бонки с резьбой.

Для производителя оказалось очень важным и еще одно свойство углепластика — анизотропность. Другими словами, меняя ориентацию волокон материала, можно получать заданные физические свойства, поскольку это напрямую зависит от направления этих нитей.

Фрикционные же параметры углепластика позволяют использовать его даже в производстве сцеплений и механизмов тормозной системы класса Hi-End. Причем интересен факт, что у карбоновых тормозных дисков есть одна особенность: эффективность их работы начинается при температуре тормозов от + 400 ⁰С — этим объясняется резкий старт и торможение гонщика во время соревнований. Так они сохраняют нужную температуру тормозов. Для справки: если верить занимательным фактам, которые были обнародованы еще в самом начале 2000-х годов, во время торможения на финишной прямой гонки Гран-при в США температура тормозов была зафиксирована на уровне + 1200 ⁰С.

А что с недостатками?

Было б несправедливо рассказать только о достоинствах карбона, поскольку вырисовывается необъективная картина. Но особенность данного материала состоит в том, что любой его недостаток — всего лишь вариант сделать из него изделие с другим назначением, которое среди аналогов будет выделяться, опять-таки, достоинствами.

Также заметим, что списки изъянов, которые можно встретить на просторах Интернета, — отчасти мифы. Мифы не столько потому что изначально это неправда, а потому, что со времени первой такой публикации технологии на месте не стояли, учитывая огромную перспективность карбона для промышленности, и всё давным-давно поменялось.

Утверждение №1

Его не повторяет только ленивый: «Изделия из углепластика легко повредить точечным механическим воздействием». Начнем с того, что если задаться целью что-то поломать, возможностей найдется немало и цель будет достигнута. Но если поинтересоваться статистикой испытаний, к примеру, карбоновых лопастей вертолета, простреливаемых одиночными выстрелами, станет понятно, что там, где карбон сломался от точечного удара, сталь или алюминий останутся попросту непригодными для ремонта.

Утверждение №2

Переходим к утверждению о «непригодности карбона для ремонта». Тут надо различать степень поломки. В случаях, когда повреждено покрытие, но при этом не пострадало ни волокно, ни матрица, функциональность изделия останется прежней после восстановления защитного слоя.

Она также сохранится, если на место, где разрушена матрица или наблюдается деструкция волокон, накладывается карбоновый бандаж. Нюанс лишь в том, что немного изменится внешний вид, что может быть для кого-то существенно.

Хотя, конечно, бывает, что повреждение происходит и в той части, где размеры не позволяют наложить бандаж. Но тут уж понятно — ничто не идеально.

Утверждение №3

«Под воздействием ультрафиолета карбон теряет свойства», за которые так полюбился народу. Давайте разберемся. Карбон является материалом композитным, который являет собой углеродное волокно, заключенное в матрицу. Если говорить непосредственно о самом волокне, то ему солнце никак не повредит — волокно спокойно выдерживает температуру + 1000 ⁰С и выше.

Чувствительной к УФ-излучению является смола (матрица), используемая для отверждения. Поэтому для защиты от воздействия солнца производители добавляют непрозрачный слой угля. Учитывая, что УФ-излучение не проникнет более чем на 10 мкм в такой слой, на данное воздействие можно не обращать пристальное внимание.

Но говоря об уникальной теплостойкости карбонового волокнá, надо помнить, что используемые смолы не могут похвастать тем же. Здесь необходимо смотреть на производителя, поскольку качественный видовой карбон выполняется с использованием связующего вещества, способного легко выдерживать в наших земных условиях температуру + 100 ⁰С.

Утверждение №4

«Углепластик на морозе становится хрупким». Рассуждаем логически: если, например, карбоновые лыжные палки или карбоновые удочки не рассыпаются в руках при – 25 ⁰С, то беспокоиться о хрупкости материала стоит, только если вы будете использовать изделие на Северном либо Южном полюсе или в близлежащих регионах. А для таких случаев есть особенные составы смол. Да и в современном мире спор о том, трескается ли карбон на морозе или нет — не актуален, поскольку пока все спорят, технологии развиваются. Так, на рынке автотюнинга можно встретить детали из карбоновой ткани, которые не утрачивают свои свойства на морозе до – 70 ⁰С. И подобных примеров можно найти еще много, поэтому утверждение уже не актуально.

Одним словом, все эти недостатки карбона как-то в современном мире быстро устаревают и относятся к материалам, произведенным не просто давно, а еще «на заре». И даже если и можно упрекнуть углепластики, например, в длительности технологического процесса изготовления, то уж точно не все их виды, да и разработки в этой области ведутся непрерывно.

Перспективные материалы — полόтна из углепластика

Как мы уже говорили, карбоновые волόкна хорошо ведут себя при растяжении, но трудно поддаются изгибу и сжатию. Поэтому в последнее время более популярен тип углепластиков, имеющих формат полотнá Carbon Fabric. Такое полотно может иметь разное плетение, названия которого имеют международную стандартизацию: Plain, Twill, Satin и другие. В некоторых случаях волόкна полотнá перехватываются поперек большими стежками перед тем, как их пропитывают смолой.

Вообще обычно выбирают полотно, опираясь не только на внешний вид плетения, но и на параметры прочности, а также некоторые другие технологические характеристики. Плетение и плотность полотнá определяет качество его укладки в форму перед пропиткой связующим веществом.

А чтобы конечный листовой материал имел более высокую жесткость, прочность и плотность, прибегают к созданию многослойных материалов, состоящих из различных типов полотнá, уложенных послойно.

Наиболее используемые виды плетения листового углепластика

Углепластиковые пластины или карбоновые листы PLAIN. Данный вид плетения можно уверенно назвать самым плотным, популярным и широко используемым. Нити основы и утка вплетаются поочередно 1 х 1.

В процессе производства изделий из данного типа полотнá за счет его высокой плотности практически полностью удается избежать искажений фактуры. Но обратная сторона плетения — это его более низкая пластичность, что требует внимания и точного навыка при закладывании полотнá в форму.

Углепластиковые пластины или карбоновые листы TWILL. Еще это плетение известно в нашей стране как «елочка», или саржевое плетение. В данном случае нити утка и основы переплетаются через 2 или 4 нити. Такое полотно очень популярно для тюнинга автомобилей. Саржевое переплетение делает полотно гибким и рыхлым, но, вместе с тем, 2 х 2 является более прочным, чем 1 х 1, каким бы это ни казалось странным.

Работа с таким полотном тоже требует определенного навыка, поскольку тут очень просто получить искажения рисунка плетения или совсем ненужные просветы. Зато у листов с плетением TWILL есть редко применяемые разновидности, которые хорошо подходят для каких-то нестандартных задач за счет высокой пластичности их структуры полотнá.

Арамидные (кевларовые) пластины. Одно из самых прочных и давно изобретенных волокон с впечатляющими характеристиками: высокая прочность на разрыв — 250—600 кг/мм² и малая плотность — 1400—1500 кг/м³. Используют их как в чистом виде, так и в качестве компонента для композитного углепластика. Востребованы они там, где нужна повышенная износостойкость и истирание.

Кроме того, полόтна на основе арамидных волокон по прочности в 5 раз превышают показатели стали, но совершенно несравнимы с ней по весу и методам обработки. Например, из стали не сошьешь защитный костюм для космонавта, а вот из кевларовой ткани — да.

Базальтовый лист, или базальтовое полотно — материал с историей, набором ценных эксплуатационных качеств и высокой сложностью производства. Аналогично строительным базальтовым материалам, базальтовые полόтна — идеальный, экологически чистый материал, который выдерживает эксплуатацию в большом диапазоне температур, равно как и не разрушается при резких ее перепадах.

Высокая прочность на разрыв, почти нулевая способность к воспламенению и устойчивость к электромагнитному излучению — основные ее преимущества.

Заключение

Наблюдая, как карбон уверенно входит в нашу жизнь, остается только догадываться, останется ли в скором будущем хотя бы одна область народного хозяйства, где его невозможно будет использовать. А рассуждая о том, раскрошится карбон при экстремальных температурах или нет, вспомним о том, что из этого материала производят детали военных самолетов, стандартный потолок высоты которых сегодня составляет даже больше, чем 15 000 км. А там холодно. Что говорить о космических кораблях с деталями из карбона.

Так что с оптимизмом смотрим в технологическое будущее.