Статьи

Углепластики (карбопластики, углеродопласты) – это композиты, содержащие в качестве наполнителя углеродные волокна. Этот сравнительно новый класс ПКМ получил в последние годы наиболее интенсивное развитие благодаря своим уникальным свойствам, а именно:

• высоким значениям прочности и жесткости
• низкой плотности
• химической инертности
• тепло- и электропроводности
• высокой усталостной прочностинизкой ползучести
• низким значениям коэффициента линейного термического расширения
• высокой радиационной стойкости

По комплексу свойств углепластики существенно превосходят традиционные стали, алюминиевые и титановые сплавы, обладая повышенными удельной прочностью и жесткостью, высокой усталостной и длительной прочностью, возможностью регулирования анизотропии свойств, широким комплексом тепло- и электрофизических характеристик, многофункциональностью назначения

Материал	Плотность, г/см3	Прочность при растяжении, ГПа	Модуль упругости при растяжении ГПа	Удельная прочность		Удельный модуль
				Гпа/см3	% к ЭП-679	Гпа/см3	% к АМГ-6
Стеклопластики
Однонаправленные (1:0)	2,1	1,6-2,1	56-70	0,76-1,0	314-413	27-33	100-127
Перекрестные (2:1)	2	1,0-1,2	36-42	0,5-0,6	206-250	18-20	64-74
Углепластики
Однонаправленные (1:0)	1,5	1,0-1,5	120-180	0,66-1,0	275-413	80-120	296-444
Перекрестные (2:1)	1,5	0,6-1,0	80-120	0,40-0,67	165-275	53-80	200-300
Металлические сплавы
Алюминия АМГ-6	2,64	0.34	72	0.13	55	27	100
Магния МА-2-1	1,80	0.32	43	0.18	75	24	90
Титана ВТ-3-1	4,50	1,25	110	0.28	115	22	80
Бериллия АБМ-1	1,35	0.42	140	0.18	75	60	220
Стали ЭП-679	7,89	1,9	200	0.24	100	25	95

Важным фактором, определяющим в некоторой степени перспективность углепластиков, является   их хорошая технологичность, позволяющая перерабатывать углепластики в изделия на стандартном технологическом оборудовании с минимальными трудовыми и энергетическими затратами. В зависимости от вида углеродного армирующего наполнителя, его текстурной формы и геометрических размеров углепластики можно разделить на три группы: углеволокниты, углетекстолиты, углепресволокниты.

Углепластики на основе непрерывных ориентированных углеродных нитей, жгутов и ровниц составляют группу углеволокнитов. Наиболее представительная группа углепластиков – углетекстолиты, в которых в качестве армирующего наполнителя используют тканые ленты и ткани различных текстурных форм. Углепластики на основе дискретных волокон составляют группу углепресволокнитов. Уровень свойств углепластиков зависит от характеристик применяемых углеродных волокон, вида и текстурной формы армирующего наполнителя, упругопрочностных свойств полимерной матрицы, качества раздела «волокно-матрица», от технологии переработки и структуры армирования материала. Накоплен значительный объем информации о физико-механических свойствах эпоксидных углепластиков, их поведении при различных видах нагружения (статика, повторная статика, динамика) и деформировании (растяжение, сжатие, сдвиг, срез, смятие), а также о ресурсе и сроке их эксплуатации в различных изделиях. В качестве армирующих элементов углеродные волокна применяют в виде жгутов, лент и тканей. Полимерная матрица определяет эксплуатационные и технологические свойства углепластика. Для углепластиков используют как термореактивные, так и термопластичные матрицы. Ниже в таблице приведены характеристики некоторых марок  углепластика.

	Марка углепластика
	КМУ-1	КМУ-1 лм	КМУ-3	КМУ-Злп	КМУ-4л	КМУ-4э	КМУ-9	КМУ-9т
Наполнитель	Жгут ВМН-4	Лента ЛУ-П	Жгут ВМН-4	Лента ЛУ-П	Лента ЛУ-П	Лента Элур-П	Жгут УКН- 11/500	Лента УОЛ- 300
Матрица	ЭТФ	ЭТФ-М	5-211Б	5-211Б	ЭНФБ	ЭНФБ	УНДФ- 4А	УНДФ- 4АР
Объемное содержание волокон, %	57-63	58-63	57-63	50-55	50-55	54-59	60-62	58-62
Плотность р-КГ3, кг/м3	1,45-1,49	1,48-1,50	1,4-1,45	1,4-1,45	1,45-1,50	1,49-1,52	1,55-1,58	1,52-1,56
Прочность при растяжении, МПа: вдоль волокон поперек волокон	1020	780	1100	730	800	900	1500	1500
	14	18	23	20	24	32	32	33
Предел прочности при сжатии, МПа:вдоль волокон поперек волокон	400	580	700	530	750	900	1200	1200
	100	130	150	120	130	130	140	160
Прочность при сдвиге вдоль волокон, МПа	30	61	40	54	70	78	85	78
Модуль упругости при растяжении, ГПа: вдоль ВОЛОКОН Еу	180	145	180	147	140	120	140	125
Модуль сдвига G]->, ГПа	3,5	4,5	5,1	5,1	6	6,5	6,8	5,2
Коэффициент Пуассона Мц	0,27	0,27	0,31	0,27	0,25	0,265	0,27	0,33

Углепластики обладают достаточно высокой длительной прочностью и низкой ползучестью благодаря высокой жесткости и низкой деформативности углеродных волокон. Коэффициент длительного сопротивления Rt углепластиков в диапазоне рабочих температур t = 80…200 °С и при длительности нагружения r = 500… 1000 ч при растяжении и сжатии составляет 0,5…0,9 % от величины кратковременной прочности материала.

Ползучесть углепластиков при длительном нагружении нагрузкой, составляющей (0,4 — 0,5) GВ, как правило, не превышает 0,1…0,5 %. Указанные характеристики благоприятно влияют на работоспособность материала при длительном нагружении с высоким уровнем действующих напряжений.

Углепластики обладают наибольшей среди известных КМ усталостной прочностью. Коэффициент усталостного сопротивления в зависимости от вида и степени асимметрии цикла равен (0.5…0,7) GВ, т. е. в 2-3 раза выше, чем у стеклопластиков, что связано также с высокими значениями модуля упругости углеродных волокон и как следствие более низким уровнем напряжений и меньшей повреждаемостью полимерной матрицы.

Углепластики обладают меньшей удельной ударной вязкостью, трещиностойкостью и остаточностью к концентрации напряжений. Значительное влияние на чувствительность углепластиков к концентрации напряжений оказывает структура армирования и направление приложения нагрузки по отношению к ориентации волокон. Так, при растяжении под углом ±45° к направлению армирования прочность углепластика очень мало зависит от размера концентратора. Мелкие дефекты, например, отверстия диаметром, не превышающим 4 мм, тоже почти не влияют на прочность углепластика квазиизотропной структуры как при кратковременном, так и при длительном статическом и усталостном нагружении.

Теплофизические характеристики углепластиков зависят от типа волокон, типа и объемного содержания матрицы, содержания пор в матрице, температуры испытаний. Для различных углепластиков они существенно не различаются и находятся в следующих диапазонах:

• для коэффициентов теплопроводности 0,5… 1,0 Вт/м*С;
• для коэффициентов термического расширения (-1,5.. .0,5)*10-6/°С;
• для коэффициента теплоемкости 0,8… 1,5 ккал/кг * °С.

В технике объем внедрения углепластиков в 70-90-е годы XX века увеличивался интенсивно: от 2…4 % (от веса конструкции) до 25…60%.

Из  углепластика и  изготавливают корпуса и надстройки яхт и кораблей, детали и элементы тюнинга автомобилей, отделочные панели, используемые в поездах и метро, изделия для активного отдыха (бассейны, лыжи, горки в аквапарках ,велосипеды,, футбольные бутсы, хоккейные клюшки, лыжи, лыжные палки и ботинки, ракетки для тенниса, основания для настольного тенниса, лезвия коньков, стрелы, оборудование виндсерфинга, моноласты , вёсла).

Углеродные материалы широко применяются в строительстве , как в качестве конструкционных, так и отделочных материалов: углепластик в системе внешнего армирования при ремонте и усиления несущих конструкций (мостов, промышленных, складских, жилых зданий.

В конструктивных решениях выполнения деталей из углепластиков можно выделить три направления:монолитные конструкциитрехслойные панели (в основном с сотовым заполнителем)комбинированные (металлопластиковые) конструкции.

В каждом конкретном случае необходимо оценивать весовую, техническую и эксплуатационную эффективность конструкции.

Основная тенденция применения углепластиков — создание крупногабаритных элементов конструкций. При этом резко сокращается количество входящих деталей, появляется дополнительное снижение массы конструкции за счет уменьшения количества узлов соединений. Применение углепластиков в авиационных конструкциях позволяет снизить их массу на 20…40 %, повысить жесткость элементов конструкций на 30…50 %, выносливость — в 3-4 раза, а в некоторых случаях увеличить и прочность конструкций. В космической технике с применением углепластиков изготовляются высоконаправленные антенны, микроволновые фильтры и волноводы, оптические телескопы, рамы солнечных батарей, корпуса ракетных двигателей, различные ферменные конструкции, корпуса ракет и транспортных контейнеров. Для изготовления карбоновых деталей применяется углеродное волокно с хаотично расположенными и заполняющими весь объем материала нитями или ткань (Carbon Fabric). Существуют десятки видов плетений. Наиболее распространены Plain, Twill, Satin. Плотность ткани, или удельная масса, выраженная в г/м2, помимо типа плетения зависит от толщины волокна, которая определяется количеством угленитей. Данная характеристика кратна тысячи. Так, аббревиатура 1К означает тысячу нитей в волокне. Чаще всего в автоспорте и тюнинге применяются ткани плетения Plain и Twill плотностью 150–600 г/м2, с толщиной волокон 1K, 2.5K, 3К, 6K, 12K и 24К. Ткань 12К широко используется и в изделиях военного назначения (корпуса и головки баллистических ракет, лопасти винтов вертолетов и подводных лодок, и пр.), то есть там, где детали испытывают колоссальные нагрузки.

Зарубежная и отечественная практика показала целесообразность использования углепластиков:

• в автомобильной промышленности — для изготовления кузовов легковых и кабин грузовых автомобилей, дверей, бамперов, цистерн для перевозки топлива, однолистовых рессор и рычагов подвески, ободьев колес, труб карданных передач, корпусов двигателей, деталей шатунно-поршневой группы (шатунов, поршней, поршневых колец, клапанов и т. д.);
• в судостроении — для корпусов морских и речных судов, корпусов малых тральщиков, в панелях, перегородках, палубных надстройках, для гребных винтов, для изготовления глубоководных аппаратов;в сельхозмашинах — для изготовления прицепного сельскохозяйственного оборудования;
• в станкостроении — для станин станков, вращающихся деталей электрооборудования, маховиков, аккумуляторов кинетической энергии, для деталей машин с высокими скоростями вращения, для роботов, манипуляторов.
• Благодаря высокой устойчивости к действию химически агрессивных жидкостей и газов углепластики успешно применяются в химическом машиностроении для изготовления реакторов, трубопроводов центрифуг, лопастей насосов, осадительных ванн, выхлопных труб. В конструкции ткацких станков из углепластиков изготовляют подборочные и направляющие стержни, ремизные рамы, рапиры, спицы, тяги, что позволяет увеличить срок службы деталей, повысить износостойкость, уменьшить величину усилий, поднять производительность станков, уменьшить энергозатраты.
• Высокая радиационная стойкость углепластиков делает их применение весьма эффективным в нейтронном оборудовании, для изготовления контейнеров и перевозки радиоактивных материалов, для захоронения радиоактивных отходов.
• Благодаря хорошей электропроводности углеродных волокон углепластики на их основе успешно применяются в качестве нагревательных элементов для обогрева помещений, одежды, животноводческих ферм.
• Высокая биологическая и механическая совместимость углеродных волокон с тканями живого организма определяют перспективу их применения в медицинской технике.
• Низкий коэффициент линейного термического расширения углепластиков позволяет их использовать в криогенной технике при изготовлении баллонов для хранения сжиженных газов, а также для трубопроводов, клапанов.
• Углепластики с высокой термостойкостью находят применение в металлургии в качестве арматуры и футеровки печей, деталей приборов, погруженных в жидкие металлы, деталей и узлов металлургических станков. Все чаще углепластики используются в строительстве для изготовления панелей жилых домов, балок, пролетов мостов, кранов.
• В электротехнической промышленности углепластики эффективны для создания лопастей ветроэнергетических установок различной мощности, в электродвигателях, приборных панелях, для изготовления опор линии электропередач, в изоляторах для линий высоковольтных передач, для защиты от электромагнитных волн, в антеннах средств связи, радиоприборах, диффузорах громкоговорителей.