Демпфирующая способность углепластика определяется в основном рассеиванием энергии в матрице, сопровождающимся переходом существенно зависит от уровня нагружения, структуры армирования материала и рабочей температуры. Если однонаправленные углепластики имеют уровень демпфирующей способности вдоль волокон механической энергии в тепловую, химическую и электрическую, и 0,5… 1,0 %, то в диагонально-армированном углепластике она возрастает в 5-7 раз.
Рост механических потерь с увеличением температуры объясняется снижением модуля сдвига углепластика, что связано со значительными физическими изменениями, происходящими в полимерных связующих при повышении температуры. С уменьшением модуля сдвига наблюдается монотонное повышение коэффициента механических потерь.
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.
Имеющиеся сведения о поведении углепластиков под влиянием различных факторов внешней среды и в условиях, близких к эксплуатационным, могут быть использованы для прогнозирования их ресурсных характеристик.
Среди разнообразных видов воздействия наиболее опасным и отрицательно влияющим на структуру и свойства для всех ПКМ является климатическое термовлажностное циклирование, чередующееся или сочетающееся с рабочими тепловыми или механическими нагрузками. Свойства углепластиков в сухом состоянии при комнатной и повышенной температурах и после длительного термостарения изменяются незначительно. При совместном действии влаги и температуры наблюдаются структурные превращения в матрице и на границах раздела "волокно-матрица", вызывающие ухудшение характеристик. Механизм изменения свойств, обусловленный сорбцией влаги, связан с двумя основными процессами: потерями температурной прочности и жесткости вследствие пластификации матрицы в объеме и в приграничном слое и потерями из-за микро- и макрорастрескивания матрицы. В зависимости от типа материала их предельное влагопоглощение различается в 1,5-2 раза и составляет для наиболее влагостойких материалов 1 %.
Уровень безопасного содержания влаги в углепластиках составляет 0,6…0,7 %; дальнейшее увеличение содержания влаги может привести к снижению упругопрочностных характеристик углепластиков при максимальной рабочей температуре на 15.. .20 %.
Технологические приемы переработки углепластиков аналогичны технологии переработки СП. В зависимости от формы и геометрических размеров детали применяются соответствующие методы формования: прессование, автоклавное формование, намотка, вакуумное или пресс-камерное формование, пропитка под давлением. Главное в технологическом процессе - обеспечить выполнение требований к основным технологическим параметрам проведения режима формования (температура формования и скорость подъема температуры, величина и время приложения давления формования, время выдержки на отдельных режимах формования, скорость и температура охлаждения) [1].
Применение углепластиков
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 некоррозийностью.
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 отрасти 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- и 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. В нашей стране эта отрасль находится, по сути, в стадии зарождения, в то время как во всем мире ветряки появляются и в незаселенных районах, и в прибрежных зонах, и на морских платформах. 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 [7].
Достоинства и недостатки карбона
Более высокая цена карбона по сравнению со стеклопластиком и стекловолокном объясняется более сложной, энергоемкоймного этапной технологией, дорогими смолами и более дорогостоящим оборудованием (автоклав). Но и прочность с эластичностью при этом получаются выше наряду со множеством других неоспоримых достоинств:
· легче стали на 40%, легче алюминия на 20% (1,7 г/см 3 - 2,8 г/см 3 - 7,8 г/см 3),
· карбон из углерода и кевлара немного тяжелее, чем из углерода и резины, но намного прочнее, а при ударах трескается, крошится, но не рассыпается на осколки,
· высокая термостойкость: карбон сохраняет форму и свойства до температуры 2000 _С.
· обладает хорошими виброгасящими свойствами и теплоемкостью,
· коррозионная стойкость,
· высокий предел прочности на разрыв и высокий предел упругости,
· эстетичность и декоративность.
· Но по сравнению с металлическими и деталями из стекловолокна углеводородные детали имеют недостатки:
· чувствительность к точечным ударам,
· сложность реставрации при сколах и царапинах,
· выцветание, выгорание под воздействием солнечных лучей, для защиты покрывают лаком или эмалью,
· длительный процесс изготовления,
· в местах контакта с металлом начинается коррозия металла, поэтому в таких местах закрепляют вставки из стекловолокна,
· сложность утилизации и повторного использования [4].
Выводы
Углепластики - композиты, содержащие в качестве наполнителя углеродные волокна.
Популярность углепластика объясняется его уникальными эксплуатационными характеристиками, которые получаются в результате сочетания в одном композите совершенно разных по своим свойствам материалов - углеродного полотна в качестве несущей основы и эпоксидных компаундов в качестве связующего.
Гибкость углеродного полотна, возможность его удобного раскроя и резки, последующей пропитки эпоксидной смолой позволяют формовать карбоновые изделия любой формы и размеров, в том числе и самостоятельно.
Карбон весит на 40% меньше стали, алюминия - на 20%, так же имеет высокую прочность и эластичность, термостойкость, коррозионную стойкость, хорошие виброгасящие свойства и теплоемкость, высокий предел прочности на разрыв и высокий предел упругости, эстетичность и декоративность. Детали, выполненные из углепластиска, легче и прочнее, чем стеклопластиковые.
Углепластики имеют некоторые недостатки, такие как чувствительность к точечным ударам, сложность реставрации при сколах и царапинах, выцветание, выгорание под воздействием солнечных лучей, для защиты покрывают лаком или эмалью, длительный процесс изготовления, в местах контакта с металлом начинается коррозия металла, поэтому в таких местах закрепляют вставки из стекловолокна, сложность утилизации и повторного использования.
Взвешиваю все положительные и отрицательные стороны данного композитного материала, можно абсолютно точно утверждать, что углепластики нашли и заняли свою нишу в промышленном производстве современного мира, а также мы продолжим развивать и пробовать данный материал в новых, для него, сферах применения.
Список использованных источников
1. Статья. Эксплуатацыонные материалы: Углепластики. - http://ustroistvo-avtomobilya.ru/e-kspluatatsionny-e-materialy/ugleplastiki/
2. Справочник Дж. Любина. "Композиционные материалы", М.Машиностроение, 1988 - http://lib-bkm.ru/load/57-1-0-1196
3. Статья. Углеродноеволокно. Алексей Романов редактор журнала. - "ТЮНИНГ Автомобилей" http://www.hccomposite.com/about/
4. Статья. Что такое углепластик (карбон).Ирина Химич, технический консультант. - http://engitime.ru/statyi1/raznoe/chto-takoe-ugleplastik-karbon.html
5. Статья "Как изготовляют карбон (углепластик). Технология производства. В России карбон не производят?" - http://www.wikipravda.ru/economy/industry/102-kak-izgotovlyayut-karbon-ugleplastik-tehnologiya-proizvodstva-v-rossii-karbon-ne-proizvodyat.html
6. Л. Альшиц, А. Зильбнрман. "Катера и яхты", №151. Что такое углепластик? - https://yachtshipyard.wordpress.com/2011/08/14/что-такое-углепластик/
7. Доклад. Применение углепластика в различных промышленностях. - http://www.hccomposite.com/about/solutions/