Из карбона

Карбоновые удилища. Вся правда о карбоне

1 мин

В последнее время, как только заходит речь об удилищах , сразу же вспоминают про различные аббревиатуры, которые характеризуют карбон, из которого сделаны удилища. 1К, 2К, 3К. «Это удилище из высокотехнологичного карбона», «Высококачественный карбон, делает удилище..», «Карбон, из которого сделан бланк, отвечает самым высоким требованиям» и так далее, и так далее. А что же скрывается за всей этой маркетинговой терминологией?

Что такое карбон?

Карбон — углерод, представляющий собой полимерный композиционные материал из переплетенных нитей углеродного волокна, расположенных в матрице из полимерных смол. Отличается высоко прочностью и малой массой. Зачастую гораздо прочнее стали, но в разы легче. По удельным характеристикам превосходит многие высокопрочные стали.

Но отойдем в сторону от точных определений. Самое главное, что вы должны понимать в карбоне, что его на самом деле существует два вида: чистое углеродное волокно (оно же carbon fiber) и углепластик (полимер, усиленный углеродным волокном — carbon fiber reinforced polymer). Оба этих материала в быту называют карбоном, что, в конечном итоге, привело к тому, что понятия стали путать между собой.

Практически весь карбон, из которого делаются удилища получается из полиакрилонитрила (сокращенно ПАН) при помощи окислительного пиролиза и последующей обработки в инертном газе. Нити углерода получаются очень тонкие (ориентировочно 0,005-0,10мм в диаметре), сломать их очень просто, а вот порвать очень сложно. Из этих нитей и сплетаются ткани, из которых затем делаются бланки для удилищ.

Почему карбон так удобен для производстве удилищ?

Использование карбона позволяет достигнуть высокой прочности удилища, жесткости, при очень малом весе. Дело в том, что карбон является материалом, механические свойства которого зависят от направления волокон. Комбинируя их в различных направлениях, можно добиваться оптимальных характеристик различных изделий, будь то удилища или любое другой изделие. То есть, характеристики бланка зависят напрямую от того плетения, на которое пал выбор разработчиков удилища. Карбон позволяет добиться практически любой формы изделия, именно поэтому у инженеров куда больше возможностей и свободы в создании «идеального» удилища.

Из какого карбона лучше всего покупать удилища?

Это очень сложный вопрос. Определить на глазок что за карбон перед вами очень тяжело. Производители могут написать всякое. Единственный совет, который точно можно дать — это избегать различных дешевых «трехкопеечных» бланков непонятного производства. Остается только гадать откуда производитель берет этот материал. А самое главное, большинство рецептов карбонового волокна являются частной собственностью (запатентованными) и просто так ни одна фирма не расскажет вам состав.

Точно так же не стоит доверять различным рекламным лозунгам, что такая-то компания использует «особенный», «исключительный», «высокотехнологичный» и так далее карбон. Правда состоит в том, что две трети мирового рынка по производству карбона принадлежат трем японским фирмам — Toray (30%), Mitsubishi (18%), Toho (18%). За ними расположились такие фирмы, как венгерская Zoltek (17%), немецкая Hexcel (7%), американская Cytek (3%), на всех остальных приходится в общей сложности еще 6%.

Всего в год производится порядка 43,5 тысяч тонн карбона. Из них 41% — потребляет авиация, космическая и военные промышленности. 17% — спорт, 12% — строительство 12% — различные нужды, по 5%-6% автомобилестроение, гражданская инженерия и так далее. Не будем тонуть в цифрах.

Важно, что из всего оборота на спорт, рыбалка забирает не более 2-3%. Теперь вдумайтесь — если вы владеете инфраструктурой, позволяющей исследовать новые виды карбоновых волокон, чем вы займетесь — производством деталей для космической промышленности или для удилищ? Будете работать с 41% рынка или сосредоточитесь на двух процентах даже не от общего рынка, а от 1/5 этого рынка? Ответ очевиден, поэтому искренность заявлений производителей рыболовных аксессуаров касательно «уникального карбона» вызывает большие подозрения. Мы не беремся утверждать, правда это или нет. Мы просто даем пищу для размышлений.

Характеристики карбона

При получении карбона из поликарилонитрила, под микроскопом полученная нить будет напоминать ствол дерева. Плотный в центре, с шероховатой корой снаружи. Если продолжать очищать нить от «коры», то получится нить меньшего диаметра, но большей плотности. Соответственно на одну и ту же единицу площади поместится большее количество таких нитей, что позволит добиться не меньшей жесткости, но гораздо уменьшить вес. Производство таких тонких волокон сопряжено с большими издержками, потому что волокно получается хрупким и использовать его необходимо с большой осторожностью. Отсюда и высокая стоимость такого карбона. Однако очень эластичный карбон является очень хрупким материалом. Поэтому инженером постоянно приходится ломать голову, чтобы найти оптимальный баланс между прочностью и эластичностью. Это достигается уже при помощи рецепта карбонового волокна, в котором комбинируют несколько слоев карбона с различными характеристиками. Каждая такая комбинация и есть главная тайна и секрет любого удилища, да и просто изделия.

Теперь стоит поговорить о самых наших любимых характеристиках — 1К, 2К, 3К, которыми часто маркируют карбон. Подобная маркировка относится к плетению углеродного волокна. Нити собирают в полоски и эти полоски переплетают друг с другом. 1К означает, что в полосе 1000 нитей, 2К — 2000 нитей, а 3К — 3000 нитей. На самом деле эта характеристика никаким образом не является признаком тех или иных свойств самого волокна. Важно не количество нитей в полосе, а то, каким образом плетутся эти полосы, и из какого состава-рецепта сделаны волокна. А это уже зависит от производителя.

Вернемся к мировому рыболовному рынку!

Здесь все сурово. Подавляющее большинство удилищ, которые сегодня продаются в магазинах изготовлены в Азии, на фабриках, каждая из которых обслуживает сразу несколько брендов. Современные бренды, причем не только в рыболовной индустрии, в большинстве своем являются самыми настоящими маркетинговыми и инженерными центрами, но не производителями. Они заключает контракты с так называемыми Original Equipment Manufactures, если говорить по-русски, посредниками, отсылают им дизайн и желаемые характеристики, которые они хотят получить на выходе, а уже OEM несет ответственность за производство. Такие фабрики отправляют готовые удилища, на которых стоит Made in China, или же могут отправить удилище, которое будет еще доведено до ума. Во втором случае вы можете зачастую видеть заветные Made in UK, Made in Germany и так далее.

Вполне распространенная практика, когда сразу несколько компаний работает с одной и той же фабрикой. Но также и бывает масса случаев, когда один бренд работает с несколькими OEM, когда хочет производить несколько видов удилищ.

Но это вовсе не означает, что вас обманывают. Как раз нет. Ведущие бренды отдают процесс производства карбоновых удилищ в руки профессионалов, которые занимаются только плетением карбоновых волокон и изделиями из карбона. Конечно, это все стоит денег, и увеличивает цену исходного продукта. Теперь представим ситуацию, когда вы покупаете вроде бы карбоновое удилище, которое стоит ну совсем дешево.

Сразу можете убрать отсюда работы по инженерным расчетам и дизайнеров. Вам просто продают готовую, стандартную заготовку, уберите затраты на маркетинговые исследования и сертификацию производства (самый главный признак отсутствия контроля качества) и так далее.

Репутационные риски заставляют известные бренды подходит крайне ответственно к вопросу качества, тогда как никому неизвестные производители подобных рисков вообще не имеют. Ну закрыл ты эту фирму, открыл завтра новую. Вот и все дела. Вы никогда не узнаете какие конкретно материалы были использованы, какая смола, что ожидать от удилища. Если вы считаете данный риск оправданным низкой ценой, конечно, покупайте. Но разве много у нас людей осознают эти риски? Надеемся, что после прочтения данной статьи, их число хотя бы немножко увеличится.

Полное или частичное копирование без согласования с редакцией портала запрещено

Как делают карбон для суперкаров: чем он так хорош

Это не принципиально новая модель Bugatti — она построена на базе Chiron. Её внешний вид значительно отличается от прообраза. Гиперкар получил новый обвес, спойлер и другие детали, которые увеличивают его прижимную силу до более чем 450 килограмм — это на 90 килограмм больше, чем у предшественника. У машины такой же двигатель на 8 литров и 16 цилиндров, а максимальная скорость ограничена на отметке 380 километров в час. У Divo прокачанные ходовая и тормозная системы, его позиционируют для использования на треке, но гонять на таких точно будут и за его пределами.

Значимой разницей между Divo и Chiron также стал вес — он уменьшился на 35 килограмм. Это стало возможным за счёт повсеместного использования карбона. Да, настолько большой кусок текста в начале этой статьи нужен был именно для того, чтобы подвести вас к разговору об этом материале.

Карбоном называют композитный материал — углепластик

Карбон — это такое многослойное полотно, которое формируется из волокон углерода, завёрнутых в обёртку из полимерной смолы. Если же говорить о правильном нейминге, то именно карбоном называют углерод, из которого делают карбоновое волокно, также называемое углепластиком. Если же откинуть нудные рассуждения, то карбон = углепластик. Сегодня к числу таких веществ относят абсолютно все полотна, в состав которых входят углеродные волокна, а вот звенья между, которые их связывают, уже могут быть абсолютно разными. Таковы реалии.

Карбон — это современный материал. Но кроме уникальных особенностей у него также очень высокая стоимость. Когда за один килограмм стали обычно просят меньше одного доллара, качественный карбон оценивают в двадцать раз больше, и в ближайшее время его цена вряд ли опустится.

Первоначально карбон разрабатывали именно для автомобилей наивысшего класса и космической отрасли. Тем не менее, из-за небольшого веса и высочайшей прочности его используют в современных самолётах, для производства спортивного инвентаря, а также в технологической медицине.

Карбон состоит из отдельных нитей: как их производят

По окончанию окисления начинается процесс карбонизации. На этом этапе происходит нагревание материала в азоте или аргоне — при этом уже используется температура порядка 800–1500 градусов по Цельсию. В итоге в ходе этого процесса получаются структуры, которые напоминают молекулы графита. После этого происходит насыщение углеродом, что называют графитизацией — оно осуществляется в той же среде, но уже при температуре 1300–3000 градусов. Данный процесс может повторяться несколько раз, чтобы добиться концентрации углерода на уровне 99% — при этом материал постоянно чистят от азота. После этого он достигает необходимой прочности.

Немного о том, какими могут получиться полотна карбона

Корзина. Фактура этого волокна считается наиболее привлекательной. Тем не менее, его очень сложно выложить, чтобы не исказить рисунок — с таким умеют работать только настоящие профессионалы. А вот практической пользы у него не так и много.

Чтобы сделать карбон, используют несколько способов

Выше мы рассмотрели, как делают карбоновые нити, а также поговорили о вариантах плетения, которые нужны, чтобы создать из них полотно. Дальше из карбона нужно сделать готовую объёмную деталь для современного автомобиля, велосипеда и так далее. Для этого используют три способа.

Прессование. Это чуть ли не самый простой способ создать деталь из карбона. В его рамках полотно выкладывают в специальную форму, а потом пропитывают эпоксидной или полиэфирной смолой. После этого лишнюю пропитку попросту вытесняют чем-то вроде пресса или используют для этого вакуумные машины. Когда смола застывает, получается необходимая деталь. Смола в этом случае должна пройти по дороге полимеризации. Чтобы ускорить этот процесс, можно использовать повышенный температурный режим. На выходе обычно получается полая деталь, которую называют листовым углепластиком.

Намотка. Этот вариант работы с карбоновым волокном применяется только для создания труб и других аналогичных деталей. В данном случае оно всё так же пропитывается специальной смолой, а потом наматывается на заготовку соответствующей формы. Важно понимать, что и в этом случае, и в двух других, может быть не один слой волокна, а несколько. Как мы уже отмечали выше, если одновременно использовать карбон разного плетения, можно добиться оптимальных показателей по прочности, упругости и пластичности — это очень важно. Плюс ко всему, указанные операции обычно происходят не вручную, а на заводах в промышленных масштабах.

Почему карбон не используется в массовом автопроме

Карбон – народное название, транслитерированное с английского слова carbon – уголь, которое в свою очередь было заимствовано еще из латыни. Углепластик представляет собой полимерный композиционный материал, состоящий из нитей углеродного волокна, переплетенных под определенным углом — как шерсть в свитере. Только очень прочный, с высокой степенью натяжения, низким весом и низким температурным расширением. Из-за его дороговизны композит может применяться как усиливающее дополнение, например, к стали — тогда материал получит приписку «усиленно углепластиком», CFRP.

Зона применения

Свою блистательную карьеру карбон начал с ракетных двигателей, а сегодня применяется в самых различных сферах — от производства удочек до самолетостроения. И в автопромышленности — не в последнюю очередь, прежде всего, в структуре кузова, а также элементах отделки экстерьера и интерьера.

Углепластик хорош тем, что обладает высокой прочностью, жесткостью и малой массой — он прочнее алюминия и легче стали, оказываясь более эффективным материалом. У кузова, изготовленного с применением композита, больше жесткость на кручение, что играет на руку безопасности автомобиля, и выше стойкость к коррозии. Даже применение части карбоновых деталей, даже только в отделке интерьера, снижает массу автомобиля, а значит, повышает топливную экономичность и динамические характеристики. При массовом применении повысилась бы и общая безопасность на дорогах при авариях, а также безопасность пешеходов.

Да и просто карбон считается красивым и стильным материалом — ведь спросом пользуется даже имитация «под карбон», которую с удовольствием используют в деталях и интерьере недешевых машин. Что уж говорить о пленке «под карбон», которая не добавляет кузову ни прочности, ни легковесности.

Однако из-за своей дороговизны углепластик далек от рынка массовых автомобилей и используется только в эксклюзивных дорогостоящих моделях, а также автоспорте. Но почему этот материал в прямом смысле «на вес золота»?

Дорогое производство

Окончательный ценник автомобиля в автосалоне складывается из сотни факторов: необходимость окупить затраты на создание идеи и разработку проекта, зарплаты дизайнеров и маркетологов, стоимость рекламы и имидж бренда. И мы можем только догадываться, насколько отличается себестоимость автомобиля от его покупательской цены.

Затраты на производство кузова с применением углепластика, его обработка и сборка мало чем отличаются от той же стали. Однако причина дороговизны композитной автомобильной детали объективна — дорог сам материал. Стоимость сырья составляет 20 долларов за килограмм, в то время как килограмм стали обойдется менее чем в один доллар.

Во-первых, из-за высокого спроса (например, из-за широкого применения в самолетостроении) на рынке наблюдается дефицит волокна, что также играет на его подорожание.

Во-вторых, сам процесс производства углеволокна очень трудоемкий и дорогостоящий. Итак, начинается все еще с нитей, из которых «вяжется» карбоновая пластина. Углеродные волокна получают за счет термической обработки химических и природных органических волокон, при которой в материале волокна остаются главным образом атомы углерода. Сначала происходит окисление исходного волокна – на воздухе при температуре 250 градусов Цельсия в течение 24 часов, потом стадия карбонизации — нагрев волокна в среде азота или аргона при температуре от 800 до 1500 градусов Цельсия, а затем графитизация в инертной среде при температуре 1600-3000 градусов. В результате количество углерода в волокне доводится до 99%.

И на выходе одно только стартовое сырье становится в два раза дороже, чем исходный материал, так как половина элементов просто сгорает. Не считая расходов на специализированное оборудование и затрачиваемую энергию — представьте, сколько это стоит при обработке в перечисленных выше условиях и температурах, да и сами автоклавы (оборудование) значительно дороже. Более того, нужно избавиться от исключенных элементов, а утилизация этих «отходов производства», не вредящая окружающей среде, еще один важный пункт в счете расходов.

И это мы только сделали нити, а ведь из них еще надо «сплести полотно», которое и будет обладать той удивительной прочностью. И прежде всего, придется убедиться, что все нити одинаковы и равномерно растягиваются, иначе в полотне какие-то из них будут более уязвимы, а следовательно, сломаются. Так что необходимы сложные и дорогостоящие меры контроля качества изделий — в случае ошибки при производстве материал окажется хрупким, а не суперпрочным.

Затем нити работают с термоактивными смолами, которые их «склеивают», в результате и получается композит. Эти смолы также дороже обычных. А ведь композиту еще нужно придать форму, что занимает около часа — очень долго, если сравнивать с тем, как быстро штампуются кузовные панели из стали. Деталь из углепластика производится двумя способами. При прессовании углеткань выстилается в форму, смазанную антиадгезивом (например, мылом), пропитывается смолой, излишки смолы удаляются в ваккуме или под давлением, смола полимеризуется. Второй вариант — контактное формование: берется исходная деталь (например, металлический бампер), смазывается разделительным слоем, сверху напыляется монтажная пена. После затвердевания слепок смазывают разделительным слоем и выкладывают пропитанную углеткань, которая прокатывается, полимеризуется и затем снимается.

И наконец карбон, несмотря на свою прочность, уязвим для точечных ударов, а треснувший углепластик плохо пригоден к ремонту. Невидимые глазу внутренние трещины и расслоения приводят к снижению плотности. Скорее всего, поврежденную композитную деталь автомобиля придется заменять.

Вот что рассказал порталу «АвтоВзгляд» директор по послепродажному обслуживанию «Ауди Центр Восток» Алексей Кирдяшов:

— Высокая стоимость углепластика объясняется в первую очередь тем, что для изготовления карбона требуются высококачественные дорогостоящие компоненты и используется сложный процесс производства. На цену материала также влияют его уникальные характеристики — прочность и легкость. Это естественно, что за такое «ноу-хау» и эксклюзивные свойства продукта производители делают наценку, объясняя это тем, что карбон — будущее в автомобилестроении, авиастроении, изготовлении электроники, строительстве и многом другом. Продукт пользуется спросом, но еще не используется массово из-за своей стоимости.

Путь к удешевлению

Но коль дорого стоит производство, а не сам «алмаз», то его можно удешевить, упростив и удешевив технологию получения углеволокна. И, судя по последним заявлениям, производители композитов уже близки к этому. Ради совершенствования технологий производства карбона создан специальный немецкий проект MAI Carbon, на который работает более 70 компаний, институтов и лабораторий, в том числе Audi и BMW. И по словам его руководителя Клауса Дрекслера, затраты на производство углеволокна могут быть снижены на 90%. В результате композит может стать значительно дешевле, а значит, доступным для массового автомобильного производства. А при увеличении объемов производства кузова из углепластика станут стоить столько же, сколько стальные, и появятся у дешевых автомобилей.

По словам Дрекслера, для удешевления и ускорения производства нужно сделать процесс более автоматизированным. Подробностей участники проекта пока не раскрывают, однако в качестве реального примера можно вспомнить литиевые батареи, которые в последние годы удается делать все более доступными. Пассажирская клетка электрокара BMW i3 выполнена из композита, а ведь это уже массовая модель.

Например, технология струйного переноса сухой смолы, разработанная и запатентованная австралийской компанией Quickstep на средства правительства, уже позволяет автоматизировать изготовление кузовных панелей. Робот распыляет смолу особого состава в сухом виде, что позволяет избавиться от дорогостоящей подготовки жидкой смолы. Анализируется применение в качестве карбонового сырья лигнина, который получают из древесины и который по прочности на сжатие соответствует бетону, или подогрев при помощи плазмы. Ищут способы заставить углепластик работать с термопластиковыми смолами, что может удешевить производство на 60-70% и упростить устранение ошибок.

ВЫСОКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

Детали из карбона

Первые углеродные нити появились в 1880 г., благодаря Томасу Эдисону и с тех пор прошли большой путь, в течении которого они изменились и усовершенствовались. Ажиотаж на изделия из углепластика, а это и есть карбон, начался в 2004 году и продолжается до сих пор.

Его бешеная популярность началась с производства ракетных двигателей, а сегодня он используется практически во всех областях производства: самолетостроение, спортивные автомобили, автотюнинг, дизайн интерьеров, производство сотовых телефонов, аксессуары для компьютеров, кроссовки и даже сумки и еще много сфер применения.

Так, что же такое углеволокно?

Углеволокно – это сплетённые слоями нити углерода под разным углом. Толщина нитей в диаметре составляет 0,005 — 0,010 мм. Они одновременно хрупкие и прочные. Поэтому их легко сломать, но практически невозможно порвать.

• Карбонизация – нагревание волокон аргоном или азотом при температуре 1500 град С, цель – получение графитоподобных структур. Этому этапу углеволокно и обязано своему народному названию, carbon, что в переводе с английского – уголь.

• Графитизация – нагревание в инертной среде при температуре от 1600 до 3000 град С, цель – доведение количества углерода до 99%.

Благодаря своему сложному многоступенчатому производству детали из карбона значительно дороже стекловолокна. Кроме того, само производство углеродного волокна связано с большими энергозатратами, что еще больше подчеркивает высокую себестоимость деталей из карбона.

Не смотря на это карбон стремительно расширяет свое применение на всех рынках, так рамы практически всех топовых велосипедов уже сегодня изготавливаются из карбона.

Методы изготовления деталей

На качество деталей из карбона на прямую влияет, какое сырье Вы использовали при изготовлении углеволокна (скорость застывания смолы и плотность углеродного полотна). В итоге, изготовление деталей из карбона обладает множеством тонкостей, которые необходимо учитывать. Начиная от производства углеволокна и заканчивая технологией его применения для получения детали с заданными характеристиками.

• формование из препрегов (полуфабрикатов) в автоклаве, автоклавное формование;

• формование в форме с помощью вакуумного мешка;

• Формование препрегов в штампе;

• Метод намотки нитями;

• Ручное формование валиками и кистью.

Разберем несколько из них.

Формование из препрегов в автоклаве или автоклавное формование

Его производят на производстве в автоклаве. Автоклав – это специальный аппарат, в котором осуществляют нагрев под давлением выше атмосферного. Автоклавы для карбона способны обеспечить давление 32 атмосфер при температуре 1600-3000 °С. Такие условия обеспечивают ускорение реакции и повышение производительности. Автоклавы оборудованы запорной арматурой высокого давления, различными контрольно-измерительными приборами и другими средствами для обеспечения безопасности, надежности и долговечности работы автоклава.

— на данную форму накладывают необходимое количество слоев препрега;

— помещают это все в автоклав, и под воздействием высокого давления и температуры осуществляется отверждение препрега;

— отвержденное изделие подвергают отделке и зачистке.

Часто при этом дополнительно используют и вакуумный мешок, это менее безопасно, но имеет ряд преимуществ. Подробнее о использовании вакуумного мешка будет сказано в следующем методе.

При формовании из препрегов одновременно протекают несколько сложных процессов:

• полимеризация компаунда – или отверждение;

• вакуумное удаление излишков смолы и воздуха;

• прижатие слоев к матрице под высоким давлением (порядка 20 атмосфер) для их уплотнения и выравнивания.

Этот метод производства деталей из карбона довольно сложный и финансово затратный процесс, не подходит для массового и серийного производства деталей.

Формование в форме с помощью вакуумного мешка

Вакуумный Мешок можно использовать и без автоклава, если поместить все в вакуумный мешок и создать внешнее давление, то мешок равномерно прижмет препрег к форме. Это как поместить деталь в пакет и выкачать из него воздух. Такое формование имеет название формование с помощью вакуумного мешка.

Весь процесс можно разделить на 6 этапов:

• Покрытие формы разделительным веществом (воск, грунтовка и т.д.).

• Раскладывание абсолютно ровно углеткани в форме без морщин, пузырей и других дефектов.

• Каждый слой пропитывается смолой. Слои можно чередовать со стеклотканью, базальтовой тканью и другими композиционными материалами.

• Укладка перфорированной пленки для отжима смолы и воздуха.

• Укладывается впитывающий слой.

• Размещение в вакуумном мешке и подключение насоса.

Аппликация

Этот метод используют для домашнего производства деталей. Он состоит из пяти этапов:

• Подготовительный, включает в себя зашкуривание формы. Обезжиривание и сглаживание острых углов.

• Нанесение соединительного вещества, например, эпоксидной смолы с отвердителем. В противовес предыдущим методам, в которых наоборот наносят разделительные вещества для легкого извлечения карбоновой детали из формы.

• Приклеивание слоев углеткани с помощью эпоксидной смолы и отвердителя.

• Нанесение защитного покрытия (лак или краска).

В результате этого метода карбон утолщает оклеиваемую деталь. Таким методом часто упрочняют капоты, бамперы, приборные доски в автотининге, а также в силу простоты получают и всевозможные другие детали. Даже применяют оклеивание формы из пенопласта, который и остается внутри детали, но оболочка довольно прочная.

Другие методы

Существует множество других методов, и они постоянно развиваются и совершенствуются. Идет постоянный поиск новых технологий, позволяющих снизить энергозатраты, количество ручного труда и других издержек.

Так, новой технологией стало производство крыльев и хвоста Российского гражданского самолета МС-21. Технология была куплена у австрийской компании FACC. Данная технология является самой передовой в мире, так как обеспечивает экономическую эффективность при обеспечении необходимых свойств материала, все остальные технологии отличаются дороговизной производимых деталей.

Новая технология, называемая как трансферное формование пластмасс с помощью вакуума (VaRTM), позволяет экономически выгодно наладить серийное производство таких ответственных деталей самолета, как крылья, хвост и т.д. К этим деталям предъявляются самые жесткие требования, прочность таких деталей должна быть 6000 МПа.

Укрепление углеволокна пластиком по данной технологии позволило добиться получение материала, отвечающим всем требования авиастроения. Кроме того, это позволило снизить себестоимость производства самолетов в целом. Ни одна фирма в мире раньше не производила такие большие и ответственные детали по данной технологии.

А есть ли у карбона недостатки?

У карбона достаточно много положительных качеств, чтобы сделать выбор в его пользу для изготовления деталей:

• при ударе и повреждении не дает острых осколков;

• высокая термоустойчивость, не поддается деформации до температуры 20000С;

• не подвержен коррозии;

Но на ряду с достоинствами у изделий из карбона есть ряд существенных недостатков:

• довольно чувствительны к точечным ударам;

• сложный восстановительный процесс при повреждениях;

• подвержен выгоранию от солнечных лучей, правда этот недостаток научились минимизировать с помощью защитного лака;

• долгий и сложный процесс изготовления;

• при стыковке с металлом для предотвращения коррозии последнего приходится применять стекловолокно;

• невозможность повторного использования и утилизации.

Проектирование деталей из карбона

Использование CAD систем для проектирования деталей из карбона значительно облегчило производство, и минимизировала риски производства брака. Но к таким системам предъявляются очень большие требования. Так выбирая CAD системы для проектирования оснастки из углепластика нужно обязательно учитывать дизайнерский замысел и технические особенности. Требуется система с очень хорошими средствами именно поверхностного моделирования.

Будущее за карбоном

Уже сегодня нельзя представить себе такие отрасли, как автомобилестроение, самолетостроение и многие другие без карбона. А в будущем тем более. Из него изготавливают кузовные детали, тормозные диски, диски сцепления автомобилей, и даже целые крылья самолетов. И все это обеспечивает как снижение себестоимости и повышение надежности изделий, так и экономию эксплуатации таких изделий.

Так как именно высокая стоимость и техническая сложность производства являются основными причинами не массовости этого материала, то уже сегодня созданы целые группы разработчиков новых технологий для удешевления этого процесса.

Они стремятся механизировать, автоматизировать процесс и сделать итоговую стоимость углеволокна значительно дешевле, тогда его можно будет применять и при изготовлении дешевых автомобилей, не только не увеличивая цену, но и наоборот еще более снижая ее.

Это кажется не реальным, но когда-то так же думали про литиевые батареи и их все-таки удалось сделать доступнее. Так что ждем дальнейший прорыв в этой сфере.

Общие положения

Углепластик — это композиционный многослойный материал, представляющий собой полотно из углеродных волокон в оболочке из термореактивных полимерных (чаще эпоксидных) смол, Carbon-fiber-reinforced polymer .

Международное наименование Carbon — это углерод, из которого и получаются карбоновые волокна carbon fiber.

Но в настоящее время к карбонам относят все композитные материалы, в которых несущей основой являются углеродные волокна, а вот связующее сможет быть разным. То есть карбон и углепластик объединились в один термин, привнеся путаницу в головы потребителей.

Это инновационный материал, высокая стоимость которого обусловлена трудоемким технологическим процессом и большой долей ручного труда при этом. По мере совершенствования и автоматизации процессов изготовления карбона его стоимость будет снижаться. Для примера: стоимость 1 кг стали — менее 1 доллара, 1 кг карбона европейского производства стоит около 20 долларов. Удешевление возможно только за счет полной автоматизации процесса.

Применение карбона

Изначально карбонбыл разработан для спортивного автомобилестроения и космической техники, но благодаря своим отличным эксплуатационным свойствам, таким как малый вес и высокая прочность, получил широкое распространение и в других отраслях промышленности:

• в самолетостроении,
• для спортивного инвентаря: клюшек, шлемов, велосипедов.
• удочек,
• медицинской техники и др.

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. Полученные заготовки можно шлифовать, полировать, красить и наносить флексопечать.

Технические характеристики и особенности карбона

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.

Армирующий элемент, общий для всех видов углепластика — углеродные волокна толщиной 0,005-0,010 мм, которые прекрасно работают на растяжение, но имеют низкую прочность на изгиб, то есть они анизотропны, прочны только в одном направлении, поэтому их использование оправдано только в виде полотна.

Дополнительно армирование может проводиться каучуком, придающим серый оттенок карбону.

Карбон характеризуются высокой прочностью, износостойкостью, жёсткостью и малой, по сравнению со сталью, массой. Его плотность — от 1450 кг/м³ до 2000 кг/м³. Технические характеристики углеволокна можно посмотреть всравнительной таблице плотности, температуры плавления и прочностных характеристик.

Еще один элемент, используемый для армирования вместе с углеродными нитями — кевлар . Это те самые желтые нити, которые можно видеть в некоторых разновидностях углепластика. Некоторые недобросовестные производители выдают за кевлар цветное стекловолокно, окрашенные волокна вискозы, полиэтилена, адгезия которых со смолами гораздо хуже, чем у углепластика, да и прочность на разрыв в разы меньше.

Кевлар—это американская торговая марка класса полимеров арамидов, родственных полиамидам, лавсанам. Это название уже стало нарицательным для всех волокон этого класса. Армирование повышает сопротивление изгибающим нагрузкам, поэтому его широко используют в комбинации с углепластиком.

Особенности технологии изготовления углеродного волокна

Волокна, состоящие из тончайших нитей углерода, получают термической обработкой на воздухе, то есть окислением, полимерных или органических нитей (полиакрилонитрильных, фенольных, лигниновых, вискозных) при температуре 250 °C в течение 24 часов, то есть практически их обугливанием. Вот так выглядит под микроскопом нить после обугливания.

После окисления проходит карбонизация — нагрев волокна в среде азота или аргона при температурах от 800 до 1500 °C для выстраивания структур, подобных молекулам графита.

Затем проводится графитизация (насыщение углеродом) в этой же среде при температуре 1300-3000 °C. Этот процесс может повторяться несколько раз, очищая графитовое волокно от азота, повышая концентрацию углерода и делая его прочнее. Чем выше температура, тем прочнее получается волокно. Этой обработкой концентрация углерода в волокне увеличивается до 99%.

Виды волокон карбона. Полотно

Волокна могут быть короткими, резаными, их называют « штапелированными », а могут быть непрерывные нити на бобинах.

Это могут быть жгуты, пряжа, ровинг, которые затем используются для изготовления тканого и нетканого полотна и лент. Иногда волокна укладываются в полимерную матрицу без переплетения (UD).

Так как волокна отлично работают на растяжение, но плохо на изгиб и сжатие, то идеальным вариантом использования углеволокна является применение его в виде полотна Carbon Fabric. Оно получается различными видами плетения: елочкой, рогожкой и пр., имеющими международные названия Plain, Twill, Satin. Иногда волокна просто перехвачены поперек крупными стежками до заливки смолой. Правильный выбор полотна по техническим характеристикам волокна и виду плетения очень важен для получения качественного карбона.

В качестве несущей основы чаще всего используются эпоксидные смолы, в которых полотно укладывается послойно, со сменой направления плетения, для равномерного распределения механических свойств ориентированных волокон. Чаще всего в 1 мм толщины листа содержится 3-4 слоя.

Достоинства и недостатки

Более высокая цена карбона по сравнению со стеклопластиком и стекловолокном объясняется более сложной, энергоемкоймногоэтапной 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/см3-2,8 г/см3-7,8 г/см3),
• карбониз 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: карбонсохраняет 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.

Изготовление карбона

Существуют следующие основные методы изготовления изделий из углеткани:

1. Прессование или « мокрый » способ. Полотно выкладывается в форму и пропитывается эпоксидной или полиэфирной смолой. Излишки смолы удаляются или вакуумформованием или давлением. Изделие извлекается после полимеризации смолы. Этот процесс может проходить или естественным путем или ускоряется нагревом. Как правило, в результате такого процесса получается листовой углепластик.

2. Формование. Изготавливается модель изделия (матрица) из гипса, алебастра, монтажной пены, на которую выкладывается пропитанная смолой ткань. При прокатке валиками композит уплотняется и удаляются излишки воздуха. Затем проводится либо ускоренная полимеризация и отверждение в печи, либо естественная. Этот способ называют « сухим » и изделия из него прочнее и легче, чем изготовленные « мокрым » способом. Поверхность изделия, изготовленного “сухим” способом, ребристая (если его не покрывали лаком).

К этой же категории можно отнести формование из листовых заготовок — препрегов.

Смолы по своей способности полимеризоваться при повышении температуры разделяются на « холодные » и « горячие ». Последние используют в технологии препрегов, когда изготавливают полуфабрикаты в виде нескольких слоев углеткани с нанесенной смолой. Они в зависимости от марки смолы могут храниться до нескольких недель в неполимеризованном состоянии, прослоенные полиэтиленовой пленкой и пропущенные между валками для удаления пузырьков воздуха и лишней смолы. Иногда предпреги хранят в холодильных камерах. Перед формованием изделия заготовку разогревают, и смола опять становится жидкой.

3. Намотка. Нить, ленту, ткань наматывают на цилиндрическую заготовку для изготовления труб. Кистью или валиком наносят послойно смолу и сушат преимущественно в печи.

Во всех случаях поверхность нанесения углепластика смазывается разделительными смазками для простого снятия получившегося изделия после застывания.

Углепластик своими руками

Изделия на основе углеволокна можно формовать и самим, что уже давно и успешно применяется при ремонте велосипедов, спортивного инвентаря, тюнинге автомобилей. Возможность экспериментировать с наполнителями для смолы, со степенью ее прозрачности предоставляют широкое поле для творчества любителям автотюнинга карбоном. Подробнее об изготовлении деталей из карбона своими руками, в том числе и для автотюнинга можно почитать здесь.

Как следует из описанной выше технологии, для формования необходимо:

• форма-матрица,
• углеродное полотно,
• смазка для формы для легкого съема готовой заготовки,
• смола.

Где брать углеткань? Тайвань, Китай , Россия . Но в России это относится к “конструкционным тканям повышенной прочности на основе углеволокна”. Если найдете выход на предприятие, то вам очень повезло. Много компаний предлагают готовые наборы для отделки автомобилей и мотоциклов “Сделай сам”, включающих фрагменты углеткани и смолу.

70% мирового рынка углеткани производят тайваньские и японские крупные бренды: Mitsubishi, TORAY, TOHO, CYTEC, Zoltec и пр.

В общих чертах процесс самостоятельного изготовления углепластика выглядит так:

1. Антиадгезивом смазывается форма.
2. После его высыхания наносится тонкий слой смолы, на который прикатывается или прижимается углеткань, для выхода пузырьков воздуха.
3. Затем наносится еще один слой смолы для пропитки. Можно нанести несколько слоев ткани и смолы, в зависимости от требуемых параметров изделия.
4. Смола может полимеризироваться на воздухе. Это происходит обычно в течение 5 дней. Можно поместить заготовку в термошкаф, нагретый до температуры 140-180 ◦С, что значительно ускорит процесс полимеризации.

Затем изделие извлекаем из формы, шлифуем, полируем, покрываем лаком, гелькоутом или красим.

Источники:

http://carptoday.ru/karbon/
http://trashbox.ru/link/how-is-carbon-made
http://www.avtovzglyad.ru/article/2014/10/16/614948-pochemu-karbon-ne-ispolzuetsya-v-massovom-avtoprome.html
http://vys-tech.ru/2017/08/24/detali-iz-karbona/
http://forma-odezhda.ru/encyclopedia/chto-takoe-ugleplastik-karbon/