Карбон (углепластик) — что это за материал: характеристики, описание и состав

волокно технического назначения карбон
Название волокон технического назначения произошло от «carbon», «carbone» — в переводе означающих «углерод». Тонкие нити из этого сырья нашли широкое применение во многих отраслях от аэрокосмической отрасли до текстильной промышленности. Рассмотрим детально, что такое карбон.

Описание

карбоновые ткани
Для просмотра ткани вблизи — наведите на фото

Карбон – это многослойный композиционный материал. Основа полотен выполнена из углеродного волокна, пропитана термореактивными полимерными смолами.

При малом весе такой материал демонстрирует сверхпрочность. К сведению: детали, выполненные из карбона, по жесткости и износостойкости превосходят аналогичные из алюминия.

Поверхность полотен из углеродного волокна отличается четко просматривающимся геометрическим рисунком. Структура зависит от способа ткацкого переплетения, используемого в изготовлении ткани. Полотна обладают высокой гибкостью, легко поддаются резке и крою. Их можно окрашивать, шлифовать и наносить печать.

Из чего изготавливают карбон — состав

карбон состав

В процессе формирования карбоновых тканей основным сырьем являются полимерные материалы, органической сырье и термореактивные смолы.

Углеродное волокно (carbon fiber) – разновидность полотен, полученных разными способами переплетения. Иногда карбоновые нити в текстиле укладывают в полимерную матрицу, закрепляя стежками до заливки связующими компонентами.

При применении ткацких переплетений применяют способы: рогожка, елочка и другие. Такие полотна демонстрируют растяжимость, но плохо реагируют на сжатие и изгиб. Наиболее известные торговые наименования этого типа полотен: Plain, Twill, Satin.

Углепластик (carbon fiber reinforced polymer) – это полимер, армированный карбоновым волокном. Свойства материала зависят от добавок, вводимых в матрицу (например, кремнезем, углеродные нанотрубки, резина).

Сложность переплетения карбоновых нитей обусловлена невысокими показаниями стойкости на изгиб в отличие от стандартных материалов. Производителями разработан ряд техник, позволяющих получить различные виды основ.

Слои материалов пропитывают смолами и скрепляют путем наматывания или прессования. Карбоновая ткань толщиной в 1 мм состоит из 4–5 слоев.

Процесс производства

производство карбонового волокна

В производстве карбонового волокна используют полимеры и органическое сырье, подвергающиеся термической обработке. Обугливание происходит при температуре +250◦С на открытом воздухе в течение 24 часов.

Из подготовленного сырья получают тончайшие нити углерода диаметром от 3 до 15 мкм. На следующем этапе проводится карбонизация – прокаливание нитей в автоклаве при температуре 800  — 1500◦С. Во время этого процесса осуществляется пиролиз. Из сырья улетучиваются инертные компоненты, меняется структура химических связей.

Прочность волокнам обеспечивает следующий этап технологии – графитизация. Волокна насыщаются углеродом в автоклаве с инертным газом при +1600–3000◦С. Чем выше температурный показатель, тем прочнее и выносливее нити.

В зависимости от назначения и технологии производства волокна режут (штапелированные) или делают непрерывными, наматывая на бобины. В производстве полотен применяют два метода: сухой и мокрый. Оба способа предусматривают воздействие на углеродные нити высоким давлением при определенных температурах.

Готовые полотна скрепляют полиэфирными, винилэфирными или эпоксидными смолами. Затем при необходимости проводят армирование с использованием каучука, кевлара и других компонентов.

Технические характеристики

В таблице приведены свойства карбоновых материалов:

Характеристики Показатели
Тип сырья Химическое (углерод)
Компоненты органического происхождения полиакрилонитрильные, фенольные, лигниновые, вискозные волокна
Количество углеродных нитей в волокне, К 1 (1000 нитей) – 50
Структура Многослойная
Предел прочности на разрыв, МПа 2500–3500
Модуль упругости, ГПа 200–600
Назначение Техническая ткань
Тактильные качества Легкая, жесткая, прочная
Способ ткацкого переплетения Простое, сатиновое, саржевое, сложное и нетканые полотна
Плотность углеродных волокон, гр./м3 1,7 – 1,9
Плотность, гр./м2 200–470
Стандартная ширина полотен, см. 100, 150
Водоупорность Высокая
Гигроскопичность, % 1–5
Скорость впитывания влаги Низкая
Воздухопроницаемость Незначительная
Паропроводимость Средняя
Термостойкость До 2000◦С
Способность накапливать статическое электричество Средняя
Эластичность Высокая
Прочность и износостойкость Высокие
Способы окрашивания Легко поддается окрашиванию и нанесению принтов. Чаще всего черные полотна с серыми вкраплениями, серые, серебристые.
Производитель Япония, Тайвань, Россия, Китай
Виды материала Plain, Twill, Satin
Стандартизация ГОСТ Р 58062 – 2018
Цена Высокая, от 760 ₽ за 1 метр

Плюсы и минусы

К плюсам карбоновых тканей стоит отнести такие качества:
  • легкость;
  • высокая прочность и устойчивость к механическим воздействиям;
  • термостойкость;
  • безвредны для здоровья;
  • способность снижать вибрации;
  • устойчивость к коррозии;
  • гидрофобность;
  • высокий предел упругости;
  • эстетичность;
  • невосприимчивость к биологическим вредителям (грибки, плесень);
  • долговечность;
  • малая осыпаемость;
  • ряд защитных свойств.


Из недостатков стоит отметить такие:

  • невозможность повторного использования;
  • чувствительность к точечным воздействиям (ударам);
  • сложность ремонта и утилизации;
  • в тканях, контактирующих с металлами, требуется введение стекловолокна;
  • поверхности, не обработанные эмалью или лаком, склонны к выгоранию на солнце;
  • высокая стоимость.

Виды

Наиболее известные в текстильной промышленности материалы:

  1. Plane Weave, Р – материя прочная и жесткая. Применяется для крупных изделий. Изготавливают с применением простого переплетения волокон 1х1.
  2. Twill, Т – ткани, основное назначение которых – производство автомобильных деталей. В них используется переплетение 2х2 (через 2 нити).
  3. Satin WEAVE, R – гибкие полотна, пригодные для изготовления сложных форм. Ткань сложного переплетения с низкой плотностью.
  4. Leno, Basket Weave – корзиночное переплетение. Этот материал используется при производстве особо прочных и декоративных изделий.

Применение карбона

волокно карбон

Карбоновая ткань впервые была разработана в качестве материала для космической отрасли. Высокие эксплуатационные свойства,  углеродных волокон обеспечили им быстрое распространение в других сферах: автомобильной, авиационной, строительной, медицинской, энергетической, судостроительной.

Мнение эксперта
Алена
Эксперт и технолог по тканям Алена Хлебникова готова ответить на ваши вопросы.
Напишите мне
Карбон используется в изготовлении спортивной амуниции, рыболовных снастей, фильтров, аксессуаров, электроники, декоративных изделий, специальной одежды. Нетканые образцы применяют в качестве изоляционных материалов в трубопроводах.

Безопасный для здоровья материал используется в производстве линии для оздоровления. Электротекстиль в связи с высоким показателем температуры плавления (450 градусов в воздушной среде) применяют в изготовлении грелок, электропростыней, в качестве изоляционного материала в системах «теплый пол».

УВ используются для изделий леченого назначения. Полиакрилонитрил (ПАН) в производстве карбоновых материалов используется в качестве композита, как сверхпрочное конструкционное сырье. Вискозное волокно дополняет и замещает графит там, где необходим лечебный эффект.

Морфологическая структура волокна позволяет образовывать стабильные цепи. Воздух, проходя сквозь переплетения карбоновых нитей, насыщает их отрицательными частицами (ионами). Лечебный эффект достигается благодаря таким качествам:

  • высокие сорбционные свойства;
  • сохранение инфракрасного излучения, исходящее от источника (человека).

Данные способности улучшают регенерацию поврежденных тканей вдвое быстрее, чем при использовании лекарственных средств. УВ снимают воспаления и отечность, стимулируют иммунную систему. Из карбоновых тканей производят жгуты, салфетки, жгуты подушки и одеяла.

Углеродные нити на вискозной основе используют в производстве трикотажных изделий. Шорты, наколенники, маски, вкладыши для постельного белья – далеко не полный список изделий медицинского назначения.

Сколько стоит карбон

Сколько стоит карбон

Многие задаются вопросом: сколько стоит карбон, и почему материал химического происхождения достаточно дорогой. Для сравнения: 1 кг промышленной стали стоит в 20 раз ниже углерода.

Такое соотношение объясняется особенностями технологии и высокой долей ручного труда при изготовлении волокон. Химическая промышленность не стоит на месте. С внедрением автоматизации цена на карбоновые ткани в будущем будет снижаться.

Уход

Уход за тканью карбон

Прочное и стойкое полотно  требует специального ухода. Прежде всего, необходимо тщательно осматривать поверхность на предмет сколов и повреждений. УФ-лучи делают его уязвимым. Поэтому для изделий, находящихся под воздействием солнца, важно покрытие специальным лаком или эмалью.

Стирать изделия из УВ можно с использованием любых моющих средств, при температуре 40–60 градусов. Отжимать, выкручивать и утюжить карбоновые вещи нельзя. Не рекомендуется длительное хранение при минусовых температурах. Требуемый уровень относительной влажности – от 40 до 80%. Допускается чистить с помощью химических средств.

Отзывы


Алена Батаева

Ткани это мое все! Я училась в Московском Государственном Текстильном институте имени А. Н. Косыгина, на кафедре материаловедения и товарной экспертизы. Работала на швейном производстве технологом и вот я в декрете, жду ребеночка:). Благодаря знакомству я стала автором статей о тканях и безумно этому рада! Надеюсь вам нравится мой труд!

Оцените автора
Текстиль Гуру
Поделитесь своим мнением