- Ця стаття про вільні або ткані вуглецеві волокна. Про жорсткий композитний матеріал, виготовлений з вуглецевого волокна, використовуваний в аерокосмічній та інших галузях див. вуглепластик.
Вуглеце́ве волокно́, також вуглеволокно, графітове волокно — штучне волокно, що складається з вуглецю; форма графіту, в якій атоми вуглецю вишикувані в тонкі довгі графітові волокна. Вуглецеві волокна є дуже жорсткими відносно їхньої маси і використовуються, зокрема, для конструкцій, виготовлених з композитних матеріалів, у яких вуглецеві волокна пов'язані з матричним матеріалом (сполучним) — таким може бути епоксидна смола.
![image](https://www.wikidata.uk-ua.nina.az/image/aHR0cHM6Ly93d3cud2lraWRhdGEudWstdWEubmluYS5hei9pbWFnZS9hSFIwY0hNNkx5OTFjR3h2WVdRdWQybHJhVzFsWkdsaExtOXlaeTkzYVd0cGNHVmthV0V2WTI5dGJXOXVjeTkwYUhWdFlpODNMemN4TDBObVlYTmxjbDlvWVdGeWNuQXVhbkJuTHpJeU1IQjRMVU5tWVhObGNsOW9ZV0Z5Y25BdWFuQm4uanBn.jpg)
Вуглецеве волокно | |
З матеріалу | вуглець |
---|---|
Дата відкриття (винаходу) | 1958 |
|
Вуглецеве волокно є тип гідратцелюлозного або віскозного, або штучного волокна — пан-акрилонітрилове волокно, яке є вуглецем майже в чистому вигляді. Цей матеріал виготовлюється методом піролізу, тобто розкладання молекул сполуки під впливом високої температури без окислення та горіння.
Кожне полотно за будовою кристалічної ґратки близьке до графіту, проте створює лише плоскі просторові структури. Безліч графітових полотен, переплітаючись, утворюють волокно. Вуглеволокном помилково називають також будь-які композитні матеріали, до складу якого входять вуглецеві нитки; найбільш відомим і важливим з них є пластик, посилений вуглеволокном (англ. CFRP, Carbon Fiber Reinforced Plastic).
Вуглеволокно отримують складною термічною обробкою (400—3000 °C) поліакрилонітрилу.
Характеристики
Властивості
![image](https://www.wikidata.uk-ua.nina.az/image/aHR0cHM6Ly93d3cud2lraWRhdGEudWstdWEubmluYS5hei9pbWFnZS9hSFIwY0hNNkx5OTFjR3h2WVdRdWQybHJhVzFsWkdsaExtOXlaeTkzYVd0cGNHVmthV0V2WTI5dGJXOXVjeTkwYUhWdFlpODBMelEwTDB0dmFHeGxibk4wYjJabVptRnpaWEp0WVhSMFpTNXFjR2N2TWpJd2NIZ3RTMjlvYkdWdWMzUnZabVptWVhObGNtMWhkSFJsTG1wd1p3PT0uanBn.jpg)
Типові властивості HT-вуглеволокон | |
---|---|
Густина | 1,8 г/см³ |
Перетин волокна | 7 мкм |
Міцність вздовж волокон | 3530 МПа(Н/мм²) |
Поздовжній модуль Юнга | 230 ГПа |
Усадка (Bruchdehnung) | 1,5 % |
Типові властивості UMS-вуглеволокон | |
---|---|
Густина | 1,8 г/см³ |
Перетин волокна | 7 мкм |
Міцінсть вздовж волокон | 4560 МПа(Н/мм²) |
Повзодовжній модуль Юнга | 395 ГПа |
Усадка (Bruchdehnung) | 1,1 % |
- висока пружність
- висока механічна міцність
- стійкість до дії високих температур
- стійкість до дії хімічних реагентів
- стійкість до дії ультрафіолетового випромінювання
Під впливом високої температури волокна змінюють свої механічні властивості. Вуглеволокно має дуже низьку стійкість до (високу ударну крихкість).
Отримання
Існують такі способи отримання вуглеволокна:
- хімічне осідання вуглецю на філамент (носій, наприклад, скловолокно)
- вирощування волоконноподібних кристалів (графіт) в світловій дузі
- побудова органічних волокон в реакторі
Найпоширенішим є останній спосіб.
Спочатку з хімічних розчинів отримують поліакрилнітрильну нитку білого кольору. При високій температурній обробці вона переробляється у вуглецеве волокно — поліакрилнітрид нагрівається до 260 °C, оксидується і кетонні молекулярні з'єднання стабілізуються. Потім оксидований матеріал нагрівається до 1300 °C в інертному газі. При цьому відбувається обвуглювання матеріалу (карбонізація) і відторгнення невуглецевих з'єднань, так звана суха дистиляція. Таким чином отримують HF-волокна, які після цього обробляються хімічно для використання в композитних сполуках. З волокон виготовляють тканину. Далі, в результаті декількох технічних стадій вуглеволокна перетворюють в препреги, з яких отримують вуглепластик. Якщо потрібне волокно ще більшої міцності, то HF-волокно проходить ще одну ступінь — графітізацію при температурі 2000—3000 °C в інертному газі. Найміцніше вуглеволокно — uhm, проходить додатково ще декілька ступенів графітування в інертному газі при тій же температурі з подальшим фінішем. Процес це дуже енергоємний і складний, тому вуглеволокно набагато дорожче за скловолокно.
Застосування
Вуглецеві волокна згортаються в нитку. Нитки переплітаються у вуглецеві тканини, полотна, стрічки різного плетіння. Ці матеріали застосовуються для створення вуглепластів (вуглепластиків) і інших композиційних матеріалів. Наприклад як армуючий матеріал для вуглепластику на основі епоксидних смол.
Також вуглецеві волокна використовуються як хороший фільтрувальний матеріал і для створення електронагрівальних елементів.
Вуглецеве волокно в комбінації з епоксидною смолою часто застосовується для армування ділянок, де необхідна підвищена міцність і жорсткість, і при правильному підході дає добрі результати. За своєю міцністю на розрив вуглеволокно поступається кевлару, проте значно перевершує його при роботі на стиск. Одночасно вуглецеве волокно має дуже низьку стійкість до ударних навантажень. Для компенсації слабких місць того й іншого, обидва матеріали часто застосовують у вигляді «гібрида». Як і у випадку з кевларом, вуглеволокно не переносить недбалого ставлення і вимагає для свого захисту іншого матеріалу типу склотканини.
Крім малої міцності при ударних навантаженнях, вуглеволокно погано переносить навантаження на зсув і його слід чим-небудь захищати зверху від абразивних дій. Хоча з вуглеволокна можна виготовити тканину в звичайному або «гібридному» вигляді і використовувати її для цілей обклеювання корпусу, слід мати на увазі, що вуглецеві волокна (як, втім, та інші) в процесі переплетення втрачають міцність. Якщо ставиться мета добитися від матеріалу максимальної міцності, вуглеволокна повинні бути абсолютно прямими, без звивини і згинів. Таким чином, з урахуванням високої вартості вуглеволокна (воно дорожче кевлара) представляється марною тратою використання його в будь-якому тканому вигляді, де порушена прямолінійна орієнтація ниток.
Існують деякі розбіжності з приводу смол, придатних для застосування з вуглеволокном. З чисто технічної точки зору , і епоксидні смоли добре просочують даний матеріал, проте дехто вважає, що для досягнення якнайкращих результатів необхідно застосовувати еластичніші смоли типу вінілефірних або епоксидних. З погляду міцності клейового з'єднання, коли йдеться про застосування вуглеволокна поверх матеріалу-основи, якнайкращим варіантом будуть епоксидні смоли.
Матеріали з вуглеволокна мають чорний колір, зберігаючи його та гарну фактуру і після просочення смолою. Тому вуглеволокно часто використовується тільки для поліпшення зовнішнього вигляду, тобто для «косметичних» цілей, наприклад, для виготовлення корпусів приладових панелей або глушників тощо.
Обмеження
Вуглеволоконний пил небезпечний при вдиханні всередину, тому при роботі з матеріалом необхідний респіратор.
При контакті з металами в солоній воді вуглепластик викликає сильну корозію і подібні контакти слід виключати.
Джерела
- С. Симамура. Углеродные волокна. М.: «Мир», 1987.
- Конкин А. А., Углеродные и другие жаростойкие волокнистые материалы, М., 1974.
- Время углеродного волокна[недоступне посилання з квітня 2019]
Вікіпедія, Українська, Україна, книга, книги, бібліотека, стаття, читати, завантажити, безкоштовно, безкоштовно завантажити, mp3, відео, mp4, 3gp, jpg, jpeg, gif, png, малюнок, музика, пісня, фільм, книга, гра, ігри, мобільний, телефон, android, ios, apple, мобільний телефон, samsung, iphone, xiomi, xiaomi, redmi, honor, oppo, nokia, sonya, mi, ПК, web, Інтернет
Cya stattya pro vilni abo tkani vuglecevi volokna Pro zhorstkij kompozitnij material vigotovlenij z vuglecevogo volokna vikoristovuvanij v aerokosmichnij ta inshih galuzyah div vugleplastik Vuglece ve volokno takozh vuglevolokno grafitove volokno shtuchne volokno sho skladayetsya z vuglecyu forma grafitu v yakij atomi vuglecyu vishikuvani v tonki dovgi grafitovi volokna Vuglecevi volokna ye duzhe zhorstkimi vidnosno yihnoyi masi i vikoristovuyutsya zokrema dlya konstrukcij vigotovlenih z kompozitnih materialiv u yakih vuglecevi volokna pov yazani z matrichnim materialom spoluchnim takim mozhe buti epoksidna smola 6 mkm vuglevolokno u porivnyanni z lyudskoyu volosinoyu 50 mkm Vugleceve volokno Z materialuvuglec Data vidkrittya vinahodu 1958 Vugleceve volokno u Vikishovishi Vugleceve volokno ye tip gidratcelyuloznogo abo viskoznogo abo shtuchnogo volokna pan akrilonitrilove volokno yake ye vuglecem majzhe v chistomu viglyadi Cej material vigotovlyuyetsya metodom pirolizu tobto rozkladannya molekul spoluki pid vplivom visokoyi temperaturi bez okislennya ta gorinnya Kozhne polotno za budovoyu kristalichnoyi gratki blizke do grafitu prote stvoryuye lishe ploski prostorovi strukturi Bezlich grafitovih poloten pereplitayuchis utvoryuyut volokno Vuglevoloknom pomilkovo nazivayut takozh bud yaki kompozitni materiali do skladu yakogo vhodyat vuglecevi nitki najbilsh vidomim i vazhlivim z nih ye plastik posilenij vuglevoloknom angl CFRP Carbon Fiber Reinforced Plastic Vuglevolokno otrimuyut skladnoyu termichnoyu obrobkoyu 400 3000 C poliakrilonitrilu HarakteristikiVlastivostiVugleceva tkanina sho zastosovuyetsya dlya vigotovlennya kompozitnih vugleplastikiv Tipovi vlastivosti HT vuglevolokon Gustina 1 8 g sm Peretin volokna 7 mkm Micnist vzdovzh volokon 3530 MPa N mm Pozdovzhnij modul Yunga 230 GPa Usadka Bruchdehnung 1 5 Tipovi vlastivosti UMS vuglevolokon Gustina 1 8 g sm Peretin volokna 7 mkm Micinst vzdovzh volokon 4560 MPa N mm Povzodovzhnij modul Yunga 395 GPa Usadka Bruchdehnung 1 1 visoka pruzhnist visoka mehanichna micnist stijkist do diyi visokih temperatur stijkist do diyi himichnih reagentiv stijkist do diyi ultrafioletovogo viprominyuvannya Pid vplivom visokoyi temperaturi volokna zminyuyut svoyi mehanichni vlastivosti Vuglevolokno maye duzhe nizku stijkist do visoku udarnu krihkist OtrimannyaIsnuyut taki sposobi otrimannya vuglevolokna himichne osidannya vuglecyu na filament nosij napriklad sklovolokno viroshuvannya volokonnopodibnih kristaliv grafit v svitlovij duzi pobudova organichnih volokon v reaktori Najposhirenishim ye ostannij sposib Spochatku z himichnih rozchiniv otrimuyut poliakrilnitrilnu nitku bilogo koloru Pri visokij temperaturnij obrobci vona pereroblyayetsya u vugleceve volokno poliakrilnitrid nagrivayetsya do 260 C oksiduyetsya i ketonni molekulyarni z yednannya stabilizuyutsya Potim oksidovanij material nagrivayetsya do 1300 C v inertnomu gazi Pri comu vidbuvayetsya obvuglyuvannya materialu karbonizaciya i vidtorgnennya nevuglecevih z yednan tak zvana suha distilyaciya Takim chinom otrimuyut HF volokna yaki pislya cogo obroblyayutsya himichno dlya vikoristannya v kompozitnih spolukah Z volokon vigotovlyayut tkaninu Dali v rezultati dekilkoh tehnichnih stadij vuglevolokna peretvoryuyut v prepregi z yakih otrimuyut vugleplastik Yaksho potribne volokno she bilshoyi micnosti to HF volokno prohodit she odnu stupin grafitizaciyu pri temperaturi 2000 3000 C v inertnomu gazi Najmicnishe vuglevolokno uhm prohodit dodatkovo she dekilka stupeniv grafituvannya v inertnomu gazi pri tij zhe temperaturi z podalshim finishem Proces ce duzhe energoyemnij i skladnij tomu vuglevolokno nabagato dorozhche za sklovolokno ZastosuvannyaSuchasnij sportivnij velosiped vigotovlenij iz vuglevolokna Vuglecevi volokna zgortayutsya v nitku Nitki pereplitayutsya u vuglecevi tkanini polotna strichki riznogo pletinnya Ci materiali zastosovuyutsya dlya stvorennya vugleplastiv vugleplastikiv i inshih kompozicijnih materialiv Napriklad yak armuyuchij material dlya vugleplastiku na osnovi epoksidnih smol Takozh vuglecevi volokna vikoristovuyutsya yak horoshij filtruvalnij material i dlya stvorennya elektronagrivalnih elementiv Vugleceve volokno v kombinaciyi z epoksidnoyu smoloyu chasto zastosovuyetsya dlya armuvannya dilyanok de neobhidna pidvishena micnist i zhorstkist i pri pravilnomu pidhodi daye dobri rezultati Za svoyeyu micnistyu na rozriv vuglevolokno postupayetsya kevlaru prote znachno perevershuye jogo pri roboti na stisk Odnochasno vugleceve volokno maye duzhe nizku stijkist do udarnih navantazhen Dlya kompensaciyi slabkih misc togo j inshogo obidva materiali chasto zastosovuyut u viglyadi gibrida Yak i u vipadku z kevlarom vuglevolokno ne perenosit nedbalogo stavlennya i vimagaye dlya svogo zahistu inshogo materialu tipu sklotkanini Krim maloyi micnosti pri udarnih navantazhennyah vuglevolokno pogano perenosit navantazhennya na zsuv i jogo slid chim nebud zahishati zverhu vid abrazivnih dij Hocha z vuglevolokna mozhna vigotoviti tkaninu v zvichajnomu abo gibridnomu viglyadi i vikoristovuvati yiyi dlya cilej obkleyuvannya korpusu slid mati na uvazi sho vuglecevi volokna yak vtim ta inshi v procesi perepletennya vtrachayut micnist Yaksho stavitsya meta dobitisya vid materialu maksimalnoyi micnosti vuglevolokna povinni buti absolyutno pryamimi bez zvivini i zginiv Takim chinom z urahuvannyam visokoyi vartosti vuglevolokna vono dorozhche kevlara predstavlyayetsya marnoyu tratoyu vikoristannya jogo v bud yakomu tkanomu viglyadi de porushena pryamolinijna oriyentaciya nitok Isnuyut deyaki rozbizhnosti z privodu smol pridatnih dlya zastosuvannya z vuglevoloknom Z chisto tehnichnoyi tochki zoru i epoksidni smoli dobre prosochuyut danij material prote dehto vvazhaye sho dlya dosyagnennya yaknajkrashih rezultativ neobhidno zastosovuvati elastichnishi smoli tipu vinilefirnih abo epoksidnih Z poglyadu micnosti klejovogo z yednannya koli jdetsya pro zastosuvannya vuglevolokna poverh materialu osnovi yaknajkrashim variantom budut epoksidni smoli Materiali z vuglevolokna mayut chornij kolir zberigayuchi jogo ta garnu fakturu i pislya prosochennya smoloyu Tomu vuglevolokno chasto vikoristovuyetsya tilki dlya polipshennya zovnishnogo viglyadu tobto dlya kosmetichnih cilej napriklad dlya vigotovlennya korpusiv priladovih panelej abo glushnikiv tosho ObmezhennyaVuglevolokonnij pil nebezpechnij pri vdihanni vseredinu tomu pri roboti z materialom neobhidnij respirator Pri kontakti z metalami v solonij vodi vugleplastik viklikaye silnu koroziyu i podibni kontakti slid viklyuchati DzherelaS Simamura Uglerodnye volokna M Mir 1987 Konkin A A Uglerodnye i drugie zharostojkie voloknistye materialy M 1974 Vremya uglerodnogo volokna nedostupne posilannya z kvitnya 2019