Углепластики
Углепластики (карбопластики) – это композиты, содержащие в качестве наполнителя углеродные волокна. Этот сравнительно новый класс ПКМ (полимерные композиционные материалы) получил в последние годы наиболее интенсивное развитие благодаря своим уникальным свойствам, а именно:
- высокая прочность и жесткость;
- низкой плотности;
- химической инертности;
- теплопроводность и электропроводность;
- высокая усталостная прочность;
- низкая ползучесть;
- низкое значение коэффициента линейного термического расширения;
- высокая радиационная стойкость
По комплексу свойств углепластики существенно превосходят традиционные стали, алюминиевые и титановые сплавы. Они обладают повышенной удельной прочностью и жесткостью, высокой усталостной и длительной прочностью, возможностью регулирования анизотропии свойств (зависимости механических характеристик от направления нагрузки), широким спектром теплофизических и электрофизических характеристик, широкой областью применения
| 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, позволяет изготавливать изделия из углепластиков 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 |
Физико-механические свойства углепластиков
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 (композиционных материалов) 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 чувствительностью 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.
Области эффективного применения углепластиков
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 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 в качестве отделочных материалов: углепластик в системе внешнего армирования при ремонте и усиления несущих конструкций (мостов, промышленных, складских, жилых зданий).
При проектировании деталей из углепластиков выделяют три направления:
- трёхслойные панели (в основном с сотовым заполнителем);
- комбинированные (металлопластиковые) конструкции.
- монолитные 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 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 тканью (Carbon Fabric-углеродная ткань). Существует множество видов плетения. Наиболее распространены Plain (полотняное переплетение ), Twill (саржевое переплетение) , Satin (сатиновое переплетение) . 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 работают в условиях высоких нагрузок.