Карбон. Свойства и применение. Плюсы и минусы. Особенности
Карбон – это полимерный очень прочный композитный материал, состоящий из эпоксидной или другой смолы, и армированный углеродными волокнами. Также его называют углепластиком или карбонопластиком. Главная особенность композита в высокой прочности при небольшой толщине и легкости.
Что такое карбон, как его получают
Углепластик является сложным композитным материалом, при изготовлении которого требуется прикладывание ручного труда. В связи с этим цена на него примерно в 20 раз выше, чем на качественную сталь европейского производства.
Вся сложность процесса его изготовления заключается в применяемом армирующем компоненте – углеволокне. Оно представляет собой тончайшие нити, практически на 99% состоящие из атомов углерода. Их получают путем сложного сжигания органических волокон с поэтапным поднятием температуры. В результате от них остается только углерод, который меняет свою структуру, приближаясь к графиту.
Нити углеволокна имеют толщину всего 0,005-0,10 мм. Они тоньше, чем человеческий волос. Каждую из них по отдельности очень легко сломать, но трудно разорвать. Из волокон сплетают полотна, которые и применяются для изготовления карбона.
Углеволокно работает как армирующий компонент карбона. Из него изготавливаются различные тканые и нетканые материалы. Такие холсты пропитываются полимерными смолами, чаще всего эпоксидными. Слои углеволокна наклеиваются друг на друга. В итоге по застыванию смолы, композитный материал приобретает повышенную прочность, гибкость и стойкость к излому. Практически нет аналогичных композитов, которые можно сопоставить по этим качествам с карбоном. Ему уступает стеклопластик и прочие аналоги.
Сфера использования
Изначально карбон был предназначен исключительно для изготовления облегченных деталей спортивных гоночных автомобилей, а также космических аппаратов. Позже себестоимость его производства снизилась достаточно, чтобы применять его и для других целей.
Сейчас из него делают:
- Детали авиационной техники.
- Удилища для рыбалки.
- Спортивный инвентарь, такой как хоккейные клюшки, шлемы и т.д.
Ежегодно производится практически 40-45 тыс. тонн карбона. Из них львиная доля в 41% потребляется авиацией, а также космической и военной промышленностью. Из него делают легкую прочную экипировку, детали для оружия, типа прикладов, рукояток и т.д. Как не удивительно, но 17% композита расходуется на получение спортивного инвентаря, а для строительной сферы только 12%. Примерно 5% уходит на автомобилестроение, и 2-3% на изготовление бланков удилищ.
Технологии изготовления карбоновых изделий
Чтобы получить карбон, необходимо пропитывать слои ткани из углеволокна смолой, и склеивать их между собой. Это можно делать тремя основными способами:
Чаще всего пользуются самым простым способом, заключающимся в наклейке холста на поверхность. Затем он пропитывается сверху смолой, и на него вклеивается следующий слой. Таким образом, набирается нужное количество слоев, чтобы достигнуть требуемого уровня прочности материала и его толщины. Этим методом пользуются в домашних условиях особенно часто, так как для него не требуется особый инструмент и различные приспособления. Смола наносится на углеволокно кистью, тщательно пропитывая ее. Стоит отметить сложность и кропотливость процесса. Зачастую чтобы получить слой карбона толщиной всего в 1 мм, нужно клеить холст в 4 слоя.
Изделия из углекарбона на производствах зачастую получают методом прессования. Это позволяет добиться лучшего удаления воздуха между слоями. В итоге готовое изделие получается более прочным и надежным. Преимущество метода еще и в том, что спрессованная заготовка может разогреваться, для ускоренной полимеризации смолы. При этом благодаря прессу композит будет все время держать правильную форму, пока не затвердеет. Эта технология дает более высокую производительность.
Также изделия их карбона цилиндрической формы можно получать методом намотки. Эта технология подходит как для заводского, так и домашнего производства. Именно этим методом делаются удилища для рыбалки, спиннинги, рамы велосипедов и т.д. Холст углеволокна наматывается на трубку, и пропитывается смолой. В итоге достаточно быстро набирается большое количество слоев, которые в итоге дают высокую прочность изделию. Трубка же, на которую все изначально наматывалось, вынимается. Чтобы она не приклеилась, ее предварительно смазывают специальным разделительным составом. Тогда адгезии смолы к ней не происходит.
Преимущества карбона
Карбон это очень востребованный материал, что обусловлено его положительными качествами:
Изделия из карбона нельзя назвать легкими, но если сравнивать его с металлами такого же объема, то он неоспоримо легче. К примеру, сталь тяжелее на 40%, а алюминий на 20%. Но нужно сразу же отметить прочность карбона. Из него можно делать тонкие изделия и использовать в таких условиях, в которых бы не справились аналоги из стали такой же толщины.
Материал обладает очень высокой термической стойкостью. Отдельные образцы карбона нормально переносят нагрев до температур до +2000С. Само углеволокно легко переносит такие условия, но только в бескислородной среде. Но так как оно находится в толще застывшей смолы, то не контактирует с воздухом. В конечном итоге температурная стойкость карбона продиктована больше свойствами смолы, из которой он изготавливается.
Материал не ржавеет и не подвергается другим видам коррозии. Это делает его альтернативным решением для применения вместо стальных изделий в сложных условиях. Он нормально переносит воздействие ультрафиолета, так что может эксплуатироваться практически где угодно.
Карбон является очень упругим материалом, который сложно сломать. За счет этого он так ценится при изготовлении различного спортивного инвентаря. Не последнюю роль в этом играет и его сравнительная легкость, и то что изделия из него за счет прочности можно делать меньшего сечения, чем из дерева, металла или другого пластика. Высокий предел упругости подтверждают хоккейные клюшки, теннисные ракетки и луки, которые делают из карбона.
Качество карбона во многом зависит от того, каким образом был сделан холст из углеволокна, и во сколько слоев уложен. Дело в том, что ориентируя направление волокон в слоях можно добиваться большей стойкости готового изделия на воздействие под определенным углом. Так можно корректировать упругость и стойкость на излом.
Недостатки карбона
Карбон является весьма ценным материалом, поэтому изделия из него очень качественные. Они более удобные в эксплуатации, однако, все же не идеальные. Проблема в том, что материал боится ударной нагрузки. От этого на нем появляются трещины и сколы. Зачастую они незаметны, но их появление существенно уменьшает прочностные характеристики композита. Зачастую достаточно деформации карбона даже на 0,5%, чтобы вызвать его структурные нарушения. Однако это не означает, что в итоге изделие из него покроется видимыми трещинами и сколами, а потом сразу же сломается. В композите просто появляются микротрещины, но он все равно остается достаточно прочным, чтобы справлялся с теми задачами, которые перед ним стоят.
Качество композита может сильно отличаться, так как напрямую зависит в первую очередь именно от применяемого углеволокна. В процессе его получения нарушить технологию нельзя, в частности не допускается делать даже небольшое отклонение в температурном режиме или продолжительности воздействия на него, так как прочность готового армирующего компонента снижается. В итоге карбон из него также будет менее стойким на излом. Таким образом, стоимость на композитные изделия из карбона разных производителей существенно отличается.
Материал все же не разлетается на осколки при ударах, так как его части удерживаются между собой слоями из углеволокна. Проблема композита в том, что в нем сложно найти баланс между эластичностью и упругостью. Если он отлично переносит воздействие на разрыв, то зачастую достаточно легко ломается при прикладывании усилия на излом. В связи с этим существует большой процент изделий из карбона, которые в результате нарушения расчетов при изготовлении служат не так долго как заявлено для этого композита. Это яркое подтверждение того, почему одни предметы из карбона стоят в разы дороже, чем на первый взгляд такие же других производителей.
Читайте так же: Труба гофрированная для насосных станций
Карбоновые пленки
Высокая стоимость карбона, не позволяет его использовать в направлениях, где это экономически нецелесообразно. Композит имеет очень привлекательный внешний вид, поэтому не нуждается в декорировании. По причине его внешних качеств, производятся различные полимерные пленки, имитирующие карбон. При этом они сами по себе им не являются. Это просто декоративные изделия, похожие на него внешне за счет характерного рисунка.
Никакого увеличения прочности поклейка такой пленки не дает, так как она далека от карбона. Она просто обеспечивает декоративный эффект, а также дает некоторую защиту от влаги. По сути это просто слой декорации, ничего более. Так что не стоит путать композит и карбоновую пленку.
Карбоновые трубки
Добрый день!
Пока идёт посылка с этими трубками: FRT-CFtube-22x20x1000 — Трубка карбоновая 3K, диаметр 22 мм, 1000 мм
Товар http://www.parkflyer.ru/product/1475762/
хотел бы спросить следующее:
— Чем их лучше всего разрезать?
— Зажиммы Черные анодированные зажимы для труб, диаметр 22мм имеют отверстие в середине дужки. Это нужно для того, чтобы зафиксировать трубку в зажиме с помощью болтика и просверленного отверстия в самой трубке?
— Соответственно, есть ли какие-либо особенности сверления таких трубок(где-то слышал что они этого не любят)?
— Как часто трубки ломаются от ударов? Вообще, насколько они хрупкие, по сравнению с алюминиевыми?
— Если надо срастить 2 трубки, как это лучше сделать? (пока думаю вставить внутрь кусок алюминивой трубки 20 мм)
— есть ли ещё что-нибудь, что мне хорошо бы о них знать?)
Возможно, эти вопросы могут показаться слишком параноидальными, но я неоднократно слышал, что карбон требует к себе особо осторожного обращения.
Большое спасибо за ценные ответы!
Мне это очень помогло, не понятным осталось только вот что:
1.Было сказано что трубки легко расщепляются вдоль. В принципе, понятно, если там волокна однонаправленные. Но на картинке (http://www.parkflyer.ru/product/1475762/) видно, что там волокна идут не только вдоль, но и поперёк. Тогда не очень понимаю, почем она так легко расщепляется вдоль? Или это только внешний слой?
2. Вот на данном пепелаце площадки двигателей (примерно такие http://www.parkflyer.ru/85803/product/1216621/.) должны располагаться посередине трубки, а не на торцах (на зд модели мотормаунтов нет, кружочками показаны только те места где они должны быть. В связи с этим хотел бы спросить совета,
как и где лучше просверлить отверстия под 3 провода двигателей. Пока склоняюсь трём вряд вдоль оси трубки, непосредственно под мотормаунтом
.1421863345599.prev.png)
Плетеная углеткань, как на фото — скорее всего, только верхний слой, но даже он должен значительно уменьшить риск расслоения трубки. Также, такая трубка будет жестче на кручение. Но такие — редкость. Куда чаще попадаются трубки из простого углеволокна.
Насчет отверстий, в общем, правильное решение. Трубка в этой точке уже особой нагрузки не несет, так что, некоторое ослабление сильно не повредит. И 3 маленьких отверстия ослабят трубку меньше, чем одно большое.
з.ы. Интересно, что такое вы строите? Имперский стардестроер?
Спасибо за ответ! Как придёт посылка — внимательно осмотрю трубки изнутри и снаружи
Ну почти) Экспериментальный гексакоптер. Наверное, если всё будет хорошо, напишу подробную статью, но пока ещё много работы впереди)
— Если надо срастить 2 трубки, как это лучше сделать? (пока думаю вставить внутрь кусок алюминивой трубки 20 мм)
Это отличный способ сломать трубку 🙂
Rude_Boy — Всё о карбоне
От переводчика. Это отдельная статья Скота про карбон, не вошедшая в серию, но логично её продолжающая. В ней есть рекламные моменты, что не умаляет её ценности.
Желая помочь вам не стать жертвой заблуждения и побороть засилье непонятных специальных терминов, мы решили подготовить для вас серьёзный учебник по технологиям работы с углеволокном. Мы видим много ажиотажа вокруг некоторых моделей и большое количество заявлений об их превосходстве по какому-либо из показателей. По нашему мнению, сейчас есть много хороших карбоновых байков, и большинство из тех, что вы можете купить, катят действительно хорошо. Другими словами, мы не собираемся никого поносить. По крайней мере, прилюдно.
Почему мы занимаемся такой лютой пропагандой? Мы считаем, что говорить правду нашим покупателям действительно важно. В общем, мы не будем бить себя кулаком в грудь. Вот что мы знаем об углеволокне.
Слово «композит» буквально означает «сделанный из нескольких частей». В случае композитной детали из углеволокна составными частями являются: усиливающее волокно — углеродное в данном случае, но это также может быть стекловолокно или кевлар — и смола. Почти что вся сила карбоновых композитов берётся из углеродных волокон, но они ничто без смолы, которая соединяет их вместе в матрицу. Важными факторами при производстве высококачественных карбоновых байков являются достижения в производстве как углеродных волокон, так и смолы, произошедшие в течение последнего десятилетия. В случае волокон ключевым моментом стала возможность производить более прочные образцы. Прочность на разрыв у большинства волокон, используемых в хай-энд байках, составляет 700 ksi (тысяч фунтов на квадратный дюйм) и больше, хотя ряд производителей по-прежнему используют волокна, которые на 10% слабее. Углеродные волокна ранжируются согласно их модулю упругости, читай, жёсткости: низкая, средняя и высокая. То же самое может быть выражено в msi (миллионов фунтов на квадратный дюйм) или ksi. Прочнось и жёсткость углеродного волокна не всегда коррелируют. К сожалению, углеродные волокна со значениями модуля упругости выше средних по мере увеличения жёсткости имеют тенденцию к снижению прочности. Как результат, при проектировании композитной структуры нужно правильно сбалансировать эти два параметра, чтобы в итоге получить качественный и долговечный продукт.
Как мы уже сказали, волокна – ничто без смолы, и ключевым моментом того, чтобы она правильно выполняла свою функцию, является равномерная спрессовка её с карбоном в правильном соотношении. Достижения в технологии спрессовывания (compression) позволили повысить плотность углеродных волокон, что, в свою очередь, привело к увеличению прочности деталей. Принимая во внимание сложность форм деталей, в которых применяются композиты, очевидно, что в некоторых участках возможно не полное спрессовывание. В этих участках возможно выпадение волокон и разрушение, поэтому чтобы решить проблемы таких зон мы используем разные техники спрессовывания и постоянно их улучшаем. В зависимости от места используются формы из пены, карбона и нейлоновые или толстые латексные надувные камеры, чтобы правильно сдавить наш композит. Звучит это всё намного приятнее, чем есть на самом деле.
Производители велосипедов, обычно, работают с карбоновыми композитами в двух видах – препрег (prepreg) и в виде труб. Трубы из карбонового композита – некая стандартная уже готовая форма, которая позволяет производителю просто отрезать трубу нужного размера и приклеить её к другим узлам, которые могут быть сделаны из совершенно разных материалов, включая карбоновые композиты, сталь, титан и алюминий. Подобный подход позволяет добиться определённой свободы действий из-за возможности построить байк с индивидуальной геометрией. Однако конструкция, привязанная к узлам, не даёт конструктору большого выбора формы и размера труб и интеграции частей, соответствующей уровню монокока, что может сопровождаться наличием лишнего материала и концентрацией напряжения в самых слабых точках рамы – местах соединений.
Препрег, другая форма применения композитов, — сокращение от «преимпрегнированный» и означает лист волокон, преимпрегнированных неотвердевшей (uncured) смолой. Препрег даёт возможность листам крепиться как липкой ленте, что облегчает работу с ними. Правильное обращение с препрегом предполагает хранение в холодильнике, что не даёт смоле затвердеть раньше, чем нужно. При производстве листы разрезаются и укладываются в комнатах, со специально поддерживаемым микроклиматом.
Читайте так же: Трубы отопления в полу прорвало трубу отопления
Рисунок 1. Здесь производится формирование каретки. Используются листы препрега.
Чтобы обеспечить байкам необходимую структурную прочность производители используют несколько листов препрега с однонаправленно расположенными волокнами. Каждый лист обозначается согласно ориентации волокон: 0 град., плюс 45 град., минус 45 град. и/или плюс-минус 30 град. Каждая такая ориентация обеспечивает детали разные механические свойства. Листы с волокнами, расположенными под углом 0 град., обеспечивают прочность и жёсткость в продольном направлении. Листы «плюс-минус 30 град.» обеспечивают сопротивляемость скручиванию, а листы «45 град.» защищают от ударных нагрузок. Все вместе они определяют прочность и жёсткость нашей маленькой механической структуры.
Другое слово, которое вы будете часто слышать при изучении композитных рам, – монокок, что означает «структура, в которой оболочка отвечает за сопротивление большей части нагрузки». Это рамы, которые создаются в специальной форме с использование слоёв препрега, расположенных в очень специфической последовательности и ориентации. С точки зрения практики это означает, что большие части рамы, например передний треугольник, изготавливаются как единая деталь. Будучи правильно спроектированной и построенной, эта единая структура распределяет нагрузку по большей части монокока. Самый простой способ избежать концентрации напряжений в местах соединений – не иметь их вовсе. Также монокок даёт ибисовцам больше креатива при создании форм. Всё вместе это даёт возможность построить лёгкую, жёсткую и стильную (по нашему скромному мнению) телегу.
Последовательность, в которой располагаются листы препрега, называется схемой укладки (lay-up schedule), она определяется разными методами. Большинство людей говорят, что используют для этого анализ методом конечных элементов (finite element analysis, FEA). Но вот что они никогда не скажут, так это то, что FEA хорош настолько, насколько чувачок, который его проводит. И чем более сложна форма или материал, тем сложнее получить от FEA полезную информацию. Композиты и формы, которые они позволяют создавать, очень сложны. Мы используем FEA для того, чтобы определить базовую схему укладки, далее же в дело вступает искусство. Наши инженеры отправляются на завод, где строят тестовые рамы и далее проверяют их до тех пор, пока не найдут правильный рецепт, позволяющий создать смесь с нужной прочностью, жёсткостью и минимальным весом.
Рисунок 2. Здесь вы видите узел каретки от Mojo. Создание этой части Mojo по времени занимает столько же времени, сколько создание целой шоссейной рамы.
Переходим к готовке. Крайне важный аспект производства карбоновых рам – навыки рабочих, чьими руками производится укладка препрега согласно схеме, и контроль качества, интегрированный в производственный процесс. Это необходимо, чтобы гарантировать соответствие прочности, жёсткости и веса рамы проектным требованиям.
Части рамы формируются вручную вокруг силиконовых форм, или форм из пены в более сложных участках, согласно схеме укладки. Этот процесс должен точно соблюдаться. В него заложен контроль, отслеживающий, что схема соблюдается и используется необходимое количество и тип материала. Эти части формируются из листов в хитроумной последовательности так, что в процессе затвердевания волокна отдельных компонентов перекрещиваются и становятся единой структурой. После завершения укладки вставляются надувные резервуары, форма закрывается и надувается до давления 150 psi.
Рисунок 3. Здесь происходит конечная сборка всего переднего треугольника. На следующем этапе будет использоваться температура и давление.
После того, как укладка закончена, силиконовая форма удаляется, и все части помещаются в большую тяжёлую стальную форму (mold). Большая стальная форма нагревается в течение 40 мин. до 220 град. по Фаренгейту, при этом избыток смолы в препреге выдавливается из структуры, после чего она затвердевает. После полного отвердения отдельные компоненты становятся интегрированным в единый монокок.
Рисунок 4. Здесь изображена форма для Mojo HD размера L.
После того, как затвердевшая рама вынимается из формы, она проходит долгие часы конечной обработки, чтобы придать ей ровную поверхность, готовую к покраске или лакированию. Но это не конец. Каждая рама Ibis проверяется на прочность и жёсткость несколькими способами. Она должна соответствовать нашим требованиям, прежде чем покинуть завод и прибыть на наш склад. Насколько мы знаем, подобная проверка является уникальной в велопромышленности и обеспечивает качество, за которым мы так гонимся.
Вы можете сказать, что весь описанный процесс достаточно долгий, и за день можно сделать небольшое количество рам. С этим связаны небольшие объёмы нашего производства. Но для нас это терпимо, поскольку мы хотим, чтобы наши приоритеты были правильно понятны (катайся больше, работай меньше) и вообще вали гонять на наших байках прямо сейчас!
Между прочим, если ты новичок в нашем деле, давным-давно мы построили несколько карбоновых рам, если быть точным, то в 1988. Вот они. Для своего времени они достаточно жёсткие и лёгкие. Они были дорогими, так как мы использовали крайне дорогое волокно, чтобы добиться желаемых механических свойств. И хотя наши сканеры тогда были весьма посредственного качества, вот пара фоток для вас.
Рисунок 5. Без названия.
Рисунок 6. Без названия.
ДОЛГОВЕЧНОСТЬ КАРБОНА
Углеродоное волокно обладает феноменальной прочностью и превосходной сопротивляемостью усталости в сравнении с другими материалами, часто используемыми в велостроении. Когда мы хотим показать, насколько карбон прочен, мы часто обращаемся к Брайну Лопесу, действительно хорошему гонщику, которого мы спонсируем. Брайан гоняет на своих байках на таких скоростях, что у людей не остаётся сомнений в том, что карбон действительно хороший материал для рам.
Но как и в случае других материалов, уборка может навредить вашей замечательной карбоновой раме. Насколько стоит беспокоиться за долговечность карбоновой рамы после этого? Как вы понимаете, зависит от характера «аварии». Прежде всего, карбоновые рамы не новы. Trek и Giant производят карбоновые байки уже 10 лет без каких-либо значительных проблем с ними в прошлом. Если вы влетели на своём байке достаточно сильно, вам придётся его отремонтировать или заменить. Но прежде чем мы поговорим о ремонте карбоновых байков, мы немного расскажем вам о том, что мы делаем для того, чтобы вам, возможно, не пришлось их ремонтировать. На наших байках в местах наиболее подверженных повреждению мы применяем больше материала. Большинство наших рам построены из укладок препрега 0, 30 и 45 град. Лист с волокнами в 90 град., которые вы часто видите поверх все остальных, обеспечивает защиту от ударов. И хотя общим поводом для беспокойства является камни, которые могут расколоть раму, правда такова, что из тысяч Mojo, которые были нами произведены, количество действительно сломанных из-за этого рам можно пересчитать на пальцах одной руки.
Предположим, что вам крупно не повезло, и вы повредили пару волокон вместе со своими костям. Хорошие новости: карбон можно починить. Вы можете не поверить, но часто его проще и дешевле починить, чем алюминий, титан или сталь. Вмятина на алюминиевой трубе, оставшаяся после сильного удара, требует замены трубы. Алюминиевые байки подвергаются закалке, поэтому вдобавок к замене старой трубы (если такое вообще возможно) требуется закалить, заново выровнять, покрасить или анодировать раму. Ничего из этого нетребуется вслучае карбоновой рамы.
За 5 лет, которые мы производим карбоновый Mojo, мы видели лишь несколько случаев, когда их ремонтировали. А всё благодаря нашей гениальной гарантии. В случае если вы повредили свою раму, мы предлагаем замену по очень привлекательной цене. В действительности это даже дешевле, чем ремонтировать её. Так что мы хотим отметить, что владельцы Mojo, которые, к сожалению, повредили их рамы, по достоинству оценили нашу гарантийную политику, и остались приятно удивлены тем, как мало стоит замена переднего треугольника или свингарма.