УГЛЕРОДНОЕ ВОЛОКНО – ИСТОРИЯ МАТЕРИАЛА И ЕГО ПРЕИМУЩЕСТВА

Углеродное волокно (углеволокно, УВ) представляет собой наноструктурированный органический материал, содержащий 92–99,99% углерода. 

Интерес к углеродным волокнам (УВ) также обусловлен тем, что они обладают уникальным комплексом свойств: высоким модулем упругости, специфическими тепло-, электрофизическими и сорбционными свойствами. По своей удельной прочности УВ в качестве армирующего материала успешно конкурируют с другими типами волокон, применяющимися при создании композиционных материалов. 

Широкое использование материалов на основе углеродных волокон (УВ) позволяет не только получить уникальные по своим свойствам продукты, которые используются в различных сферах, но и снизить выбросы в атмосферу диоксида углерода и сэкономить не одну тонну топлива. 

История изобретения, дальнейшего внедрения и последующего активного использования углеродных неорганических волокон состоит из нескольких важных временных этапов: 

1. 1880 год – известный изобретатель из Америки Томас Эдисон предложил применять тонкие нити на углеродной основе в конструкции лампочек накаливания. Предложенное ученым решение отличалось необычайно высокой жаропрочностью, и пусть по своей структуре оно не было абсолютно идентичным современному углеродному волокну, представленный Эдисоном материал можно смело считать его прародителем. Согласно информации из патента, волокна изготавливались путем пиролиза нитей вискозы и хлопка. Однако вместо них в лампочках стали использоваться вольфрамовые спирали, вследствие чего интерес к углеродному волокну на некоторое время был утерян. 

2. 1950-е года: начало активного изучения свойств углеродных волокон по всему миру, с перспективой их активного внедрения в промышленность, связанное с необходимостью поиска современного композитного материала, способного похвастаться высокой  прочностью и другими выдающимися свойствами. Новая технология изготовления позволила придать получаемым нитям, помимо высочайших прочностных качеств, повышенную сопротивляемость нагреву, стойкость к воздействию жидкостей и газов, хорошую теплозащиту, большую жесткость.Классический состав меняется в лучшую сторону, в него входит целый ряд новых компонентов. 

3. 1960-е года: углеродное волокно становится неотъемлемой частью многих важных отраслей промышленности, включая авиастроение и производство ракетных двигателей, во многом благодаря устойчивости к критическим температурам и небольшому удельному весу. Тонкие нити, способные прекрасно выдерживать воздействие высоких температур, непременно возникающее при возвращении пассажирских самолетов в плотные слои атмосферы в процессе снижения перед посадкой, были по достоинству оценены крупнейшими производителями – такими компаниями, как Boeing и Airbus, использующими этот материал и поныне. 

4. Конец XX века – по нынешние дни: время, когда углеродное волокно применяется практически повсеместно, проникнув буквально во все важные сферы деятельности человека. Производство спортивных товаров, сверхсовременная отрасль по освоению аэрокосмических пространств, выпуск серийных машин и штучных элитных автомобилей, энергетика, и многое другое – сегодня нити из этого уникального материала так или иначе встречаются в жизни каждого из нас. Причина такой популярности и всеобщего признания проста, и заключается она в целом ряде достоинств, которыми обладает этот вид композита. 

 

ПРЕИМУЩЕСТВА УГЛЕРОДНОГО ВОЛОКНА

Углеродное волокно высоко ценится за свои положительные качества, включающие в себя целый набор полезных эксплуатационных характеристик, в совокупности обеспечивших ему заслуженную славу:
• Малый вес (во много раз легче популярных сплавов);
• Высокий предел прочности (стойкость к разрушению);
• Высокая способность к растяжению (без деформации);
• Термическая стойкость (не разрушается под нагревом);
• Стойкость к коррозии (не боится влаги);
• Привлекательность внешнего вида. 

 

НЕДОСТАТКИ УГЛЕРОДНОГО ВОЛОКНА

Углеродное волокно также имеет недостатки, которые должны быть приняты во внимание при планировании его использования:
• Этот материал довольно дорогой по сравнению с аналогами;
• Материал имеет способность отражать электрические волны, что может быть недостатком в некоторых случаях;
• Процесс изготовления композитов более трудоемкий, чем изготовление металла. 

Однако, с развитем высоких технологий, теперешние недостатки углепластиков (карбона, в частности) будут постепенно нивелироваться все возрастающими переимуществами этих материалов. 

 

ВИДЫ УГЛЕРОДНОГО ВОЛОКНА

Большая часть углеволокон получается из трех видов прекурсоров – полиакрилонитрила (ПАН), мезофазного пека и целлюлозы. 

УВ на основе ПАН-волокна является предпочтительным армирующим материалом для композитов вследствие их высокой удельной прочности и жёсткости в совокупности с малой массой и низкой стоимостью. Целлюлоза наряду с ПАН-волокном является основным видом сырья, используемым для получения углеродных волокнистых материалов. Из целлюлозы вырабатываются ткани, нити, жгуты, нетканые волокнистые материалы. Именно целлюлоза послужила первым материалом для разработки способа получения волокон из углерода – неплавкого и нерастворимого вещества. Однако для массового производства весьма перспективными являются УВ на основе пеков, причем волокна общего назначения изготавливают из обычных пеков, а на основе мезофазных пеков изготавливают анизотропные УВ с повышенной прочностью и удлинением. 

Данные компании добились наибольшего успеха в вопросе применения углеродного волокна в ком- позиционных материалах и (в свете настоящего прогноза) вызывают активный интерес со стороны инвесторов, в том числе отраслевых компаний и компаний-потребителей названного вида композитов. В этой связи, в ближайшей перспективе могут последовать целые серии слияний и поглощений. 

 

ПРИМЕНЕНИЕ УГЛЕРОДНЫХ ВОЛОКОН

До 1972 г. объем применения УВ был очень незначительным (менее 10 тонн в год) и ограничивался почти исключительно авиационной и космической промышленностью, но даже и в этих областях УВ применялись только для самых передовых образцов техники. Эта ситуация кардинально изменилась в 1973 г., когда началось массовое производство клюшек для гольфа на основе УВ, после чего спрос на УВ внезапно подскочил. 

УВ применяются в основном в качестве армирующих элементов композиционных материалов с различными типами матриц. Общепринятым названием таких материалов является термин углеродные композиционные материалы. 

В случае применения в качестве матрицы полимеров такие материалы называются углепластиками. В ряду всех известных конструкционных материалов углеродные композиционные материалы отличаются чрезвычайно высокими удельными прочностью и упругостью, что обусловлено уникальными свойствами армирующих элементов – УВ. Это способствует все более широкому внедрению углеродных композиционных материалов, в частности, углепластиков, в самых ответственных наукоемких отраслях техники. 

Углепластик (карбон) имеет невероятно широкую сферу применения. Углеродные материалы и изделия из них можно встретить в самых разнообразных отраслях промышленности. 

В строительстве, например, углеродные ткани применяются в системе внешнего армирования. Использование углеродной ткани и эпоксидного связующего при ремонте несущих конструкций (мостов, промышленных, складских, жилых зданий) позволяет проводить реконструкцию в сжатые сроки и со значительно меньшими трудозатратами по сравнению с традиционными способами. При этом, хотя срок ремонта снижается в разы, срок службы конструкции увеличивается также в несколько раз. Несущая способность конструкции не просто восстанавливается, но и увеличивается в несколько раз. 

В авиации углеродные материалы используются для создания цельных композитных деталей. Сочетание легкости и прочности получаемых изделий позволяет заменить алюминиевые сплавы углепластиковыми. Композитные детали, при их весе в 5 раз меньшем, чем аналогичных алюминиевых, обладают большей прочностью, гибкостью, устойчивостью к давлению и некорозийностью. 

В атомной промышленности углепластики используются при создании энергетических реакторов, где основным требованием к используемым материалам является их стойкость к высоким температурам, высокому давлению и радиационная стойкость. Кроме этого, в атомной отрасли особое внимание отдается общей прочности внешних конструкций, поэтому Система внешнего армирования также имеет обширное применение. 

В автомобилестроении карбон (или углепластик) используется для производства как отдельных деталей и узлов, так и для автомобильных корпусов целиком. Высокое отношение прочности к весу позволяет создавать безопасные, и в то же время экономичные автомобили: снижение веса автомобиля за счет углепластиков на 30 % позволяет снизить выброс CO2 в атмосферу на 16% (!), благодаря снижению расхода топлива в несколько раз. 

В гражданской аэрокосмической отрасли композиционные материалы занимают очень прочные позиции. Высокие нагрузки космических полетов ставят соответствующие требования и материалам, которые используются при производстве деталей и узлов. Углеродные волокна и материалы из них, а также из карбидов работают в условиях высоких температур и давления, при высоких вибрационных нагрузках, низких температурах космического пространства, в вакууме, в условиях радиационного воздействия, а также воздействия микрочастиц и т.п.

В судостроении высокая удельная прочность, коррозионная стойкость, низкая теплопроводность, немагнитность и высокая ударостойкость делают углепластики лучшим материалом для проектирования и создания новых материалов и конструкций из них. Возможность сочетать в одном материале высокую прочность и химическую инертность, а также вибро-, звуко радиопоглощение обуславливает выбор именно этого материала для изготовления конструкций различных видов гражданских судов. Одной из наиболее значимых областей применения углеродных материалов в мировой практике является ветроэнергетика. Легкость и непревзойденные показатели прочности на изгиб углепластиков позволяют создавать более длинные лопасти, которые, в свою очередь, обладают большей энергопроизводительностью. 

В железнодорожной отрасли углепластики имеют широкое применение. Легкость и прочность материала позволяет облегчить конструкцию железнодорожных вагонов, снизив тем самым общий вес составов, что позволяет в дальнейшем как увеличивать их длину, так и улучшать скоростные характеристики. В то же время углепластики могут использоваться и при строительстве железнодорожного полотна и прокладке железнодорожных проводов: высокие показатели прочности на изгиб позволяют увеличивать длину проводов, сокращая необходимое количество опор и в то же время снижая риск их провисания. Композиционные материалы интенсивно входят в привычный мир каждого человека. Из них создаются многие товары народного потребления: предметы интерьера, детали бытовых приборов, спортивная экипировка и инвентарь, детали ЭВМ и многое другое.