Наши салоны находятся:
МКАД-СЕВЕР, МКАД-ВОСТОК, МКАД-ЗАПАД, МКАД-ЮГ
Часы работы:
Карбон и углепластик
Карбон — что это такое
Что такое углепластик
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. Карбон и углепластик объединились в один термин, привнеся путаницу в головы потребителей. То есть карбон или углепластик — это одно и то же.
Это инновационный материал, высокая стоимость которого обусловлена трудоемким технологическим процессом и большой долей ручного труда при этом. По мере совершенствования и автоматизации процессов изготовления цена карбона 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.
Изначально карбон был 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.
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 или углепластик 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 в сравнительной 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.
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 углеродная 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%.
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 для углепластика 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 карбона содержится 3-4 слоя.
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),
- 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 карбоновые 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.
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 карбоновых труб. Кистью или валиком наносят послойно смолу и сушат преимущественно в печи.
Во всех случаях поверхность нанесения смазывается разделительными смазками для простого снятия получившегося изделия после застывания.
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 предоставляет широкое поле для творчества любителям автотюнинга карбоном. Подробнее об основных методах изготовлении деталей из карбона 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 карбоном «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 изготовления углепластика своими руками выглядит так:
- Антиадгезивом смазывается форма.
- После его высыхания наносится тонкий слой смолы, на который прикатывается или прижимается углеткань, для выхода пузырьков воздуха.
- Затем наносится еще один слой смолы для пропитки. Можно нанести несколько слоев ткани и смолы, в зависимости от требуемых параметров изделия.
- 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.
Надеемся, вы нашли исчерпывающий ответ на вопрос «Что такое карбон»?
Ирина Химич, технический консультант
Углеволокно (карбон) - характеристики, производство, применение
Также называемый карбон, углепластик или материал из углеродного волокна (углеволокно) состоит из очень тонких углеродных нитей. Углеродные волокна имеют высокую прочность на разрыв для своих размеров. Каждое волокно имеет диаметр 5-10 мкм. Чтобы дать представление о том, как это мало, один микрон (мкм) составляет 0,001 мм. На данный момент карбон является самым популярным композитным материалом. Карбон в два раза жестче и в пять раз прочнее стали (на единицу веса). Он также обладает высокой химической стойкостью, устойчивостью к высоким температурам и низким тепловым расширениям. Углеволокно играет важную роль в конструкционных материалах, аэрокосмической отрасли, спортивных автомобилей и музыкальных инструментах - это лишь некоторые примеры. Углеродное волокно изготовлено из органических полимеров, которые состоят из длинных цепочек молекул, удерживаемых вместе атомами углерода. Большинство углеродных волокон (около 90 процентов) изготавливаются из процесса полиакрилонитрила (PAN). Небольшое количество (около 10 процентов) производится из вискозного или нефтяного пека. Газы, жидкости и другие материалы, используемые в процессе производства, придают требуемые характеристики углеродному волокну. Углеродное волокно высочайшего качества с лучшими модульными свойствами используется в сложных условиях, таких как аэрокосмическая промышленность. Производители углеродного волокна отличаются друг от друга комбинациями сырья, которое они используют. Они обычно скрывают конкретные составы как коммерческий секрет. В процессе производства сырье вытягивают в длинные нити или волокна. Из волокон сплетают ткань, который, в свою очередь, объединяют с другими материалами. Необходимые формы получают методом формовки или наматыванием поверх шаблона. Обычно в производстве углеродных волокон есть пять этапов: 1. Спиннинг. Пан смешивают с другими ингредиентами и раскручивают в волокна, которые промывают и растягивают. 2. Стабилизация. Химическая стабилизации связей. 3. Карбонизация. Стабилизированные волокна нагревают до очень высокой температуры, образуя плотно связанные кристаллы углерода. 4. Обработка поверхности. Поверхность волокон окисляется для улучшения связующих свойств. 5. Определение размеров. Волокна покрыты и намотаны на бобины, которые загружаются в прядильные машины, которые скручивают волокна в нити разных размеров. Для формирования композитных материалов используют тепло, давление или вакуум и связывают волокна вместе пластиковым полимером. Углеродное волокно часто путают со стекловолокном, и, хотя в производстве есть сходства они различаются. Стекловолокно - это полимер, который армирован ткаными нитями из кварцевого стекла, а не из углерода. Углеродные композиты прочнее, а стекловолокно обладает большей гибкостью. Оба имеют различные химические составы и каждый имеет свое применение. При проектировании композитных деталей нельзя просто сравнивать свойства карбона со сталью, алюминием или пластиком. Для сравнения, в материале из углеродного волокна прочность находится вдоль оси волокон, и, таким образом, свойства и ориентация волокон сильно влияют на механические свойства. Детали из углеродного волокна, как правило, не являются ни гомогенными, ни изотропными. Базовая панель из углеродного волокна с гладким переплетением имеет отношение жесткости к массе на 18% больше, чем у алюминия, и на 14% больше, чем у стали. Использование различных переплетений дает значительно более высокое отношение жесткости к массе. Производство углеродных волокон сопряжено с рядом проблем, в том числе: • Процесс обработки поверхности должен быть тщательно отрегулирован, чтобы избежать образования пусто, которые могут привести к повреждению волокон. • Требуется строгий контроль для обеспечения постоянного качества. • Вопросы здоровья и безопасности • Раздражение кожи • Раздражение дыхания • Замыкания в электрооборудовании из-за сильной электропроводности углеродных волокон. Углеродное волокно нелегко производить в массовом порядке и поэтому очень дорого. Велосипед из углеродного волокна легко перевалят за тысячи долларов, а его использование в автомобилестроении по-прежнему ограничено экзотическими гоночными автомобилями. На рынке существуют материалы имитирующие карбон, такие как пленки под карбон. Однако имитация часто представляет собой только частично углеволокно или просто пластик, выполненный в виде углеродного волокна. Переработка углеволокна очень сложный процесс. Единственный доступный метод для полной рециркуляции - это процесс, называемый термической деполимеризацией, при котором материал из карбона греется в бескислородной камере. Освобожденные волокна можно использовать повторно, а все связующие материалы (эпоксидная смола, винил и т. д.) сгорают. Из-за его высокой прочности на разрыв и легкого веса многие считают углеродное волокно самым значимым производственным материалом нашего времени. Углеродное волокно играет все более важную роль в таких областях, как: • Энергетика: лопасти ветряных мельниц, хранение и транспортировка природного газа, топливные элементы. • Автомобилестроение: технология углеродного волокна, используемая в настоящее время только для высокопроизводительных транспортных средств, получает все более широкое применение. В декабре 2011 года General Motors объявила, что работает над композитами из углеродного волокна для массового производства автомобилей. • Строительство: Легкий сборный железобетон, защита от землетрясений. • Авиация: оборонная и коммерческая авиация. Беспилотные летательные аппараты. • Разведка нефти: глубоководные буровые платформы, бурильные трубы. • Углеродные нанотрубки: полупроводниковые материалы, космические аппараты, химические сенсоры и другие применения. В 2015 году объем рынка углеродного волокна составил 2,25 миллиарда долларов. Согласно прогнозам, к 2024 году рынок увеличится до 31 млрд. долларов.| Принцип работы гидравлического пресса основан на законе Паскаля, который утверждает, что давление (P) в ограниченном объеме, вызванное силой (F1), в области (A1), передается без уменьшения, вызывая силу (F2), в области (A2). Этот закон может применят... Что это за элемент? Почему у него такое странное название и для чего нужен датчик кислорода в принципе? Второе название - лямбда зонд. Любой современный автомобиль скрывает внутри себя электронику. Даже у сверхбюджетной машины, не имеющей никаких бла... Датчик давления масла Камаз 740 — чувствительный элемент контрольно-измерительных приборов и приборов сигнализации системы смазки поршневых двигателей внутреннего сгорания; датчик для измерения давления в системе смазки и сигнализации о его снижении... Прежде чем рассматривать устройство и принцип работы планетарного механизма необходимо обозначить его назначение. Он служит для изменения скорости (иногда направления) вращения выходного вала. В работе этого механизма прослеживается такая зависимость... |
| Перед конструкторами АвтоВАЗа стояла задача найти такую АКПП для Лада Гранта, которая была бы надежной, недорогой в эксплуатации и вписывалась в бюджет самого дешевого ВАЗовского автомобиля. Таким автоматом стала японская автоматическая гидромеханич... В этой статье будет представлен поэтапный тюнинг автомобиля Лада Приора для увеличения его мощности. Начали мы свою модернизацию авто немного не в том порядке, то есть замена стандартной выхлопной системы на «прямоток». Связанно это с тем, что по дан... Керамическое покрытие представляет собой жидкий полимер, который наносится вручную на внешнюю поверхность автомобиля. Покрытие химически связывается с заводской краской автомобиля, создавая защитный слой. Керамическ... Стандартные электророзетки рассчитаны на длительный ток в 16 А, что соответствует максимальной мощности включенного прибора 3,52 кВт. Обычно к ним подводиться медный кабель с сечением 2,5 мм2, что может ввести в заблуждение при выборе типа провода дл... |
Карбон, углеткань и углеволокно
- Ремкомплекты (Стеклоткань, углеткань + эпоксидная смола)
- % Товары со скидкой %
- Карбон, углеткань и углеволокно
- Углеродное волокно (Ровинги)
- Препрег
- Стеклоткань
- Стеклоткани
- Cтекломаты
- Cтекловуали
- Базальтовые ткани
- Арамидные ткани (Кевлар)
- Каталог эпоксидных смол
- Наполнители
- Добавки / Колеровочные пасты
- Материалы для армирования ЖБИ
- Разделительные составы
- Вакуумные пленки
- Разделительные ткани, жертвенные ткани
- Проводящие сетки для распределения смолы
- Клей-спрей для фиксации слоев
- Трубки, спиральные трубки, порты, тройники
- Герметизирующие жгуты
- Дренажные и впитывающие материалы
- Разделительные пленки, перфорированные пленки
- Липкие ленты
- Вакуумные: ловушки, клапаны, штуцеры, шланги, манометры
- Сэндвичные материалы
- Готовые пластины из углепластика
- Сопутствующие товары
- Жидкий пластик
- Вакуумные станции
- Силиконы для форм
Заказать звонок
Углепластик — виды полотна
Полотно определяет не только внешний вид получившегося карбона, но и его прочностные и технологические характеристики. От плетения и плотности углеполотна зависит и то, как легко и качественно можно выложить его в форме при заливке смолой.
Для получения оптимальной прочности, плотности и жесткости зачастую требуется послойное сочетание разных типов углеполотна. Чтобы лучше понимать эксплуатационные характеристики каждого вида плетения, попробуем пояснить, какими бывают самые популярные виды плетения полотна.
Виды плетений полотна
|
| Полотно (Plane Weave, P) — cамый плотный вид плетения карбонового волокна, самый распространенный. Нити утка и основы переплетаются поочередно 1Х1. Высокая плотность позволяет избежать искажений фактуры, но в то же время такое плетение делает полотно менее пластичным. |
|
| Елочка (Twill, T) — саржевое плетение 2Х2, наиболее универсальное полотно. Нити утка и основы переплетаются через две нити. Такое плетение прочнее, чем 1Х1, вопреки расхожему мнению. Тоже очень распространенный, универсальный тип плетения. Подходит для приобретения навыков работы с углеполотном. Ткань рыхлая и пластичная, что позволяет легко подтянуть ее в нужном направлении. Главное при этом не получить просветы и искажение фактуры. |
|
| Разновидность елочки, которая используется весьма редко. Очень пластичная структура для нестандартных решений. |
|
| Сатин (Satin WEAVE, R) — наименее плотное и самое пластичное полотно. Рыхлость полотну придают особенности плетения: каждая нить утка и основы проходит над несколькими нитями утка или основы. При работе с этим типом полотна необходим определенный уровень навыков. |
|
| Реже используется корзинное плетение — Leno, Basket Weave. Красивая фактура, но такое полотно сложно выложить без искажений рисунка. |
Схематически виды плетения карбонового полотна представлены на рисунке.
Правила выбора углеполотна
Выбор текстиля определяется назначением, способом использования углеволокна и способом получения углепластика. Его основными характеристиками являются:
- Плотность, масса на единицу площади г/м.кв,
- Линейная плотность, количество нитей на 1 см2 в каждом направлении,
- Число К, количество тысяч элементарных нитей углерода (цепочек) в одной нити. Наиболее распространено волокно с К3. Обычно К=6-12-24-48.
Для автотюнинга чаще всего используются полотна плотностью 150-600 г/м.куб с толщиной волокон 1-12К. А для велосипедных рам К3. Обратите внимание при выборе необходимых вам параметров на единицы измерения, на китайских сайтах — это не метрическая система!
Технические характеристики карбоновых волокон
Для углеродных волокон основными механическими характеристиками являются предел прочности на растяжение σв и предел прочности на единицу объема, а также модуль упругости, определяющий эластичность и способность работать на изгиб. Механические свойства сильно зависят от ориентации волокон, то есть они анизотропны, хотя в плетении Pane и Twill эффект анизотропии свойств проявляется меньше. Технические характеристики, как правило, приводятся для продольного направления.
Углеродные волокна обладают следующими механическими характеристиками по сравнению с армирующими металлическими, стекловолокном и полимерными волокнами.
| Волокно (проволока) | ρ, кг/ м³ | Тпл, °C | σB, МПа | σB/ρ, МПа/кг*м-3 |
| Алюминий | 2 687 | 660 | 620 | 2 300 |
| Асбест | 2 493 | 1 521 | 1 380 | 5 500 |
| Бериллий | 1 856 | 1 284 | 1 310 | 7 100 |
| Карбид бериллия | 2 438 | 2 093 | 1 030 | 4 200 |
| Углерод | 1 413 | 3 700 | 2 760 | 157 |
| Стекло E | 2 548 | 1 316 | 3 450 | 136 |
| Стекло S | 2 493 | 1 650 | 4 820 | 194 |
| Графит | 1 496 | 3 650 | 2 760 | 184 |
| Молибден | 0 166 | 2 610 | 1 380 | 14 |
| Полиамид | 1 136 | 249 | 827 | 73 |
| Полиэфир | 1 385 | 248 | 689 | 49 |
| Сталь | 7 811 | 1 621 | 4 130 | 53 |
| Титан | 4 709 | 1 668 | 1 930 | 41 |
| Вольфрам | 19 252 | 3 410 | 4 270 | 22 |
Например, параметры углеродных волокон Toray из полиакрилата (PAN) c высокой прочностью на растяжение High Modulus Carbon Fiber.
| Волокно (fiber) | Модуль упругости (msi) | Предел прочности (ksi) |
| M35J | 50 | 683 |
| M40J | 57 | 398 |
| M40J | 55 | 640 |
| M46J | 63 | 611 |
| M50J | 69 | 597 |
| M55J | 78 | 583 |
| M60J | 85 | 569 |
Существует взаимосвязь — чем выше предел прочности, тем ниже модуль упругости.
Что влияет на технические характеристики карбоновых композитов
При подборе материала очень важно найти оптимальный баланс между этими характеристиками, подбирая слои, направление волокна, метод плетения и плотность.
Механические свойства композитов определяются следующими параметрами:
- Тип карбонового волокна и смолы,
- Тип плетения, ориентация волокон,
- Соотношение волокон (т.е. плотность полотна) и смолы в композиции,
- Плотность, однородность, пористость и пр.
Ирина Файдюк
При копировании материалов не забывайте, что у каждого текста есть автор. Поэтому при добавлении материала на свой сайт не забывайте ставить индексируемую ссылку на первоисточник!!!
Карбон (углепластик)
Карбон (углепластик) (от лат. carbo, род. падеж carbonis — уголь) — композитный материал изготавливаемый из переплетенных нитей углерода связанных между собой с помощью полимерных (эпоксидных или полиэфирных) смол.
Углепластики отличаются высокой прочностью и жесткостью, в сочетании с малой массой, что делает эти материалы востребованными в аэрокосмической и автомобильной промышленности. По ряду характеристик карбон превосходит высокопрочную сталь, при этом он значительно легче.
Основой карбона являются тончайшие нити углерода, очень ломкие, но при этом прочные на растяжение, порвать такую нить достаточно сложно. Их этих нитей плетется карбоновое полотно разного рисунка. Для придания материалу большей прочности слои полотна скрепляются между собой с помощью эпоксидных смол. Слои выкладываются таким образом, чтобы рисунки были разнонаправленными, в этом случае достигается прочность изделия на разрыв в разных направлениях.
Процесс изготовления нитей включает в себя несколько этапов и достаточно сложен и энергозатратен, что делает углепластик дорогим материалом. Производство самих изделий также требует применение качественных материалов, например эпоксидных смол, а так же дорогостоящих автоклавов. Нередко для экономии средств изделие выполняется не полностью из углепластика, а лишь усиливается карбоновым полотном.
[adsense]
Готовые изделия из карбона можно получить двумя методами: Прессование – метод, при котором углеродное полотно помещается в форму, смазанную анти адгезивным составом (чтобы предотвратить прилипание), затем полотно пропитывается полимерными смолами и выкладывается необходимое количество слоев. Излишки смолы удаляются из изделия с помощью пресса или вакуумом. Полимеризация смолы происходит или при обычной температуре, или с помощью дополнительного нагрева. Затем готовое изделие извлекается из формы.
Контактное формование — для этого метода сначала изготавливается матрица будущего изделия. Затем на готовую матрицу слоями накладывается пропитанное смолой полотно, излишки смолы и остатки воздуха удаляются выдавливанием. Полимеризация происходит в зависимости от типа отвердителя в печи или при температуре окружающей среды. Готовое изделие снимается с матрицы и обрабатывается, если это необходимо.
Несмотря на все достоинства карбона, он имеет и некоторые недостатки. Этот материал не очень устойчив к точечным деформациям, например бампер или капот автомобиля сделанные из этого материала будут значительно прочнее при ударе, чем издания из металла или стеклопластика, но легко будут повреждены частыми попаданиями камней. Еще одним минусом деталей из карбона является невозможность их ремонта, поврежденный капот придется менять.
Неокрашенный карбон подвержен выцветанию под воздействием солнечных лучей. Кроме этого утилизация изделий из углепластика значительно сложнее и дороже, чем других материалов, а примеров его вторичного использования пока нет. Несмотря на все свою дороговизну и указанные минусы, карбон прочно занял место в современной промышленности, особенно в тех отраслях, где необходима большая прочность изделий в совокупности с их малым весом.
Изготовление деталей из карбона
Качество деталей из карбона в первую очередь зависит от правильного выбора и качества смолы и углеродного полотна. При ошибках в выборе плотности полотна карбона и смолы для карбона вы не сможете аккуратно выложить заготовку в форме, плотно прижать и полностью удалить пузырьки воздуха.
Основные методы изготовления деталей из карбона
К основным методам изготовления деталей из карбона можно отнести:
- формование из препрегов, то есть полуфабрикатов,
- формование непосредственно в форме,
- метод аппликации.
Изготовление карбона дома не требует сложного оборудования, и при определенных навыках можно получить детали достойного качества. Поэтому сделать карбон удовлетворительного качества самому вполне реально.
Карбон для автотюнинга
Внимание! Так называемый «3D-карбон«, автовинил никакого отношения к карбону не имеет, кроме отличной имитации поверхности карбона. Это разноцветные виниловые и ПВХ-пленки с визуальными эффектами только для декоративной отделки поверхности, но не для упрочнения.
А вот для изготовления некоторых облегченных элементов, где требуется высокая прочность, например, для бамперов, капотов, мелких деталей кузова, может использоваться дорогостоящий настоящий карбон. Можно попробовать даже сделать обтяжку карбоном своими руками некрупных элементов.Но необходимо помнить, что этот материал очень чувствителен к точечным ударам, и есть риск повреждения мелкими камнями и щебнем из-под колес.
И здесь определяющую роль играет мастерство автомастера, насколько совершенно он владеет навыками подбора полотна, смолы и толщины слоев. А ремонт карбоновых деталей — тоже дорогостоящий процесс.
Если же для вас главную роль играют эстетические параметры, а не облегчение веса автомобиля или мотоцикла, то присмотритесь к ПВХ-пленкам «под карбон», аква-печати или аэрографии.
Изготовление деталей из карбона методом препрегов
Промышленный процесс формования изделия из препрега (заготовок для формования) в автоклаве представляет собой одновременное протекание сложных процессов:
- полимеризацию компаунда,
- вакуумное удаление воздуха и излишков смолы,
- высокое давление ( до 20 атм) прижимает все слои к матрице, уплотняя и выравнивая их.
Это дорогостоящий процесс, поэтому для мелкосерийного тюнинга в домашних условиях малопригодный.
Но разделение этих процессов удешевляет и удлиняет всю процедуру самостоятельного получения карбона. Изменения при этом вносятся в технологию подготовки препрега, поэтому всегда нужно обращать внимание, для какой технологии предназначена заготовка.
В этом случае препрег готовится в виде сэндвича. После нанесения смолы заготовка с обеих сторон покрывается полиэтиленовой пленкой и пропускается между двух валов. При этом лишняя смола и нежелательный воздух удаляются. Препрег вдавливается в матрицу пуансоном, и вся конструкция помещается в термошкаф. То есть в данном случае препрег представляет полностью готовую к формованию заготовку, с обжатыми слоями и удаленным воздухом.
Этот метод чаще всего и используют автомастерские, покупая заготовки карбона, а матрицы изготавливаются из алебастра или гипса, иногда вытачиваются из металла или в качестве модели используется сама деталь. которую вы хотите повторить из карбона. Иногда модели вырезаются из пенопласта и остаются внутри готовой детали.
Углепластик своими руками проще всего сделать методом «обтяжки» или аппликации углеполотна на заготовку.
Метод аппликации (ручная оклейка)
Сделать карбон своими руками можно методом оклейки, который включает пять основных этапов:
- Тщательная подготовка оклеиваемой поверхности: зашкуривание, обезжиривание, скругление углов.
- Нанесение адгезива.
- Приклеивание углеткани с пропитыванием эпоксидной смолой с отвердителем.
- Сушка.
- Покрытие защитным лаком или краской.
Наполнители для смолы используют как для придания декоративности, так и для предотвращения стекания смолы с вертикальных поверностей.
Необходимые материалы
- Адгезив для фиксации углеткани на поверхности.
- Ткань из углеволокна, которую укладывают на смолу послойно, с прикатыванием твердым валиком.
- Эпоксидная смола средней вязкости с отвердителем (иногда она используется в качестве адгезива).
- Защитный лак. Лучше всего для защиты от царапин подходит полиуретановый. Нужно выбирать водостойкий и светостойкий. Он не помутнеет. Для высокого блеска в качестве финишного покрытия можно использовать акриловый лак.
Смолу наносят 2-3 раза с промежуточной сушкой и шлифовкой.
Этот метод отличается от традиционного изготовления карбоновых изделий по моделям нанесением адгезива, а не разделителя для легкого съема получившегося полуфабриката.
Компания 3М предлагает даже самоклеющееся углеполотно, но работа с ним требует хороших навыков.
И карбон остается на оклеиваемой детали, упрочняя ее. Такое производство карбона чаще всего используется для оклеивания бампера, приборной панели и пр.
Метод формования в форме с вакуумом
Для этого метода требуется специальное оборудование и хорошие навыки.
- Нанесение разделительного состава на поверхность модели. Для матовых и полуглянцевых поверхностей обычно применяется разделительный воск, а для глянцевых поверхностей(пластик и металл) — разделитель типа WOLO и растворы для грунтования, которые используются при мелкосерийном призводстве.
- Выкладывание углеткани в матрицу, без морщин и пузырей.
- Пропитка углеткани смолой.
- Слоев может быть несколько. В некоторых случаях углеткань можно чередовать со стеклотканью.
- Наложение перфорированной пленки для отжима излишков смолы и выхода воздуха. Желательно укладывать внахлест.
- Прокладка впитывающего слоя.
- Установка вакуумной трубки и порта для подключения вакуумного насоса.
- Помещение всей конструкции в прочную вакуумную пленку, приклеивание герметизирующим жгутом к оснастке.
Вся процедура напоминает помещение какого-либо предмета в вакуумный пакет, которые продаются в магазинах для хранения вещей, с последующей откачкой из него воздуха. Можно, кстати, поэкспериментировать с такими вакуумными пакетами. Они очень прочные и продаются разных размеров. А вакуумный насос для домашнего использования обойдется в среднем в 150-200$.
Метод формования с помощью давления (ручная прикатка)
Применяется для самостоятельного изготовления деталей из карбона и аналогичен методу формования вакуумом, но без использования дорогостоящей оснастки. Наборы включают кисти для нанесения смолы и валики для выдавливания воздуха и прикатки слоев.
Для простого тюнинга автомобиля понадобятся:
- углеполотно плотностью 200-300 г/м,
- эпоксидная смола,
- отвердитель,
- жесткий валик и кисть.
На Alibaba.com углеполотно плотностью 200 г/м.кв. плетения twill предлагается по цене от 10 до 25 долларов за квадратный метр. Правда, и покупать нужно от 10 метров. Но можно договориться о получении образцов, которые позволят самостоятельно изготовить небольшие изделия из карбона.
На поверхность формы наносится разделительный воск, гелькоат для формирования защитно-декоративного слоя на поверхности готового изделия. После его высыхания кистью наносится эпоксидная смесь для углепластика и начинается выкладка углеткани.
Каждый слой прокатывается валиком для удаления пузырьков воздуха и получения максимального сцепления. После полного высыхания на воздухе или в термошкафу деталь извлекается из матрицы, шлифуется, покрывается защитным лаком.
При таком методе получается высокий расход смолы (в три раза выше плотности углеполотна), но зато именно таким способом можно изготовить любую деталь из карбона своими руками.
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.
Похоже, революция на пороге.
