Углеродное волокно, также известное как углеродный графит, является высокопрочным волокном, получаемым путем нагрева синтетических волокон или волокон полиакрилонитрила или нефтяного битума до оптимальной температуры. В настоящее время углеродное волокно стало неотъемлемым компонентом многих продуктов, и каждый год появляются новые приложения. США, Япония и Западная Европа являются основными производителями углеродного волокна.

Что делает их уникальными?

Углеродное волокно является самым твердым и прочным армирующим волокном в полимерных композитах, уступая только стеклянным волокнам. Углеродные волокна классифицируются по модулю прочности волокна, который измеряет, какую тяговую силу определенного диаметра волокно может выдержать без разрыва. В зависимости от ориентации волокна, углеродно-волоконные композиты могут быть прочнее в одном направлении или равномерно прочны во всех направлениях. Маленький кусочек может выдержать несколько тонн ударной нагрузки с минимальной деформацией. Сложная переплетенная структура волокон делает их трудно разрушимыми.

Основные применения

Два основных применения углеродного волокна - в специализированных технологиях, включая аэрокосмическую и ядерную инженерию. Другие функциональные области включают текстиль, микроэлектроды, углеродно-волоконные композиты для производства деталей воздушных и космических аппаратов, корпусов гоночных автомобилей, валов для гольф-клубов, рам велосипедов, удочек, пружин для автомобилей, мачт для парусных яхт и многих других компонентов, требующих низкого веса и высокой прочности.

Классификация углеродного волокна

Углеродное волокно может быть классифицировано на основе его модуля, прочности и конечной температуры термической обработки.

Сырье и производственный процесс

Материалы, используемые для производства углеродного волокна, называются предшественниками. Примерно 90% углеродных волокон изготавливаются из полиакрилонитрила (ПАН). Оставшиеся 10% изготавливаются из синтетических волокон или нефтяного битума. Все эти материалы являются органическими полимерами, характеризующимися длинными цепями молекул, связанных вместе атомами углерода. Точный состав каждого предшественника варьируется от компании к компании и часто считается коммерческой тайной.

Производственный процесс

Процесс производства углеродного волокна частично химический и частично механический. Предшественник (молекулярный каркас волокна) растягивается в длинные цепи или волокна, а затем нагревается до очень высоких температур, предотвращая контакт с кислородом. Без кислорода волокна не могут гореть. Вместо этого высокая температура вызывает сильные атомные колебания внутри волокна, пока большинство атомов, не являющихся углеродом, не вытеснены. Этот процесс называется карбонизацией, оставляя за собой волокна, состоящие из длинных, плотно переплетенных цепей атомов углерода, с только несколькими атомами, не являющимися углеродом.

Проблемы безопасности

Основной опасностью для здоровья, связанной с обработкой углеродного волокна, является механическая раздражение и абразия, аналогичные стеклянным волокнам. Если не контролировать, эти микроволокна могут встроиться в человеческую кожу или слизистые оболочки, вызывая раздражение. Важно защищать глаза и горло от пыли углеродного волокна.

Причины замены углеродных композиционных материалов традиционными материалами

1. Высокое соотношение прочности к весу: углеродное волокно весит около 25% стали, 70% алюминия и является прочнее и тверже обоих. Инженеры автомобилей высокого класса используют композитные материалы для снижения веса транспортных средств до 60%, повышая при этом безопасность при столкновении.

2. Прочность: Композитные материалы CFRP не ржавеют в любой среде. Их прочность на разрыв ниже, чем у металлов, но выше, чем у большинства полимеров. Высокая размерная стабильность позволяет им сохранять свою форму, будь то горячо или холодно, влажно или сухо.

3. Новые варианты дизайна: композитные материалы CFRP предлагают варианты дизайна, которые трудно достичь с использованием традиционных материалов. Они позволяют консолидировать детали; одна композитная деталь может заменить всю сборку металлических деталей. Текстура поверхности может быть изменена, чтобы имитировать любую отделку, от гладкой до текстурированной.

Будущее углеродного волокна

Перспективы рынка углеродонаполненных пластиков (CFRP) выглядят многообещающими, с возможностями в авиационной, автомобильной, баковых прессованных емкостях и ветроэнергетических отраслях. Основными движущими силами этого рынка являются растущий спрос на высокопроизводительные и легкие композитные материалы и растущие требования к производительности различных отраслей конечного использования. Новые тенденции, непосредственно влияющие на отрасль, включают разработку технологий для снижения затрат на производство углеродного волокна и переработку деталей и CFRP, так как вторичное углеродное волокно снижает стоимость продукции и воздействие на окружающую среду.