Ткань из углеродного волокна: как ее делают, плетут и используют

Что такое ткань из углеродного волокна?

Ткань из углеродного волокна представляет собой высокоэффективный текстиль, сотканный из прядей углеродного волокна — каждая прядь имеет диаметр примерно 5–10 микрон, что примерно в 10 раз тоньше человеческого волоса. В результате получается материал, В 5 раз прочнее стали все же весит около на 40% меньше . Он сочетает в себе чрезвычайную жесткость, малый вес и отличную устойчивость к нагреву и коррозии, что делает его одним из наиболее высокотехнологичных материалов, доступных сегодня.

Как изготавливается ткань из углеродного волокна?

Производственный процесс начинается с исходного материала, чаще всего полиакрилонитрил (ПАН) , на долю которого приходится более 90% коммерческого производства углеродного волокна. Процесс включает в себя несколько четко контролируемых этапов:

1. Спиннинг: ПАН растворяется и экструдируется в тонкие нити через фильеру, подобно тому, как производятся синтетические ткани.
2. Стабилизация (Окисление): Нити растягивают и нагревают на воздухе при температуре 200–300°С в течение 30–120 мин. На этом этапе полимерные цепи сшиваются, подготавливая их к карбонизации.
3. Карбонизация: Стабилизированные волокна нагреваются в инертной атмосфере азота при температуре от 1000°C до 1500°C. На этом этапе неуглеродные атомы (водород, азот, кислород) удаляются, в результате чего остается волокно с чистотой углерода более 92%.
4. Графитизация (по желанию): Для сверхвысокомодульных волокон температура может достигать 2000–3000°C, что приводит к выравниванию атомов углерода в более упорядоченную графитоподобную решетку для большей жесткости.
5. Обработка поверхности: Поверхность подвергается химическому травлению и покрывается проклеивающим веществом (обычно совместимым с эпоксидной смолой) для улучшения адгезии при использовании в композитах.
6. Намотка и плетение: Готовые пучки жгутов (например, 3К = 3000 нитей, 12К = 12 000 нитей) наматываются на бобины и подаются на ткацкие станки для ткачества.

Весь процесс от необработанного ПАН до готовой ткани из углеродного волокна обычно занимает несколько часов на партию и требует строго контролируемого промышленного оборудования.

Как ткут углеродное волокно?

Как и обычный текстиль, ткань из углеродного волокна производится на промышленных ткацких станках. Рисунок переплетения существенно влияет на механические свойства, драпировку и внешний вид конечной ткани. Наиболее распространенные стили плетения:

2×2 саржа является наиболее узнаваемым: на нем изображен культовый диагональный узор «елочка», ассоциирующийся с высокопроизводительными спортивными автомобилями и потребительскими товарами премиум-класса. Тканые ткани обычно продаются на вес в граммах на квадратный метр (г/м²); общий вес варьируется от 100 г/м2 (легкий, хорошо драпируется) чтобы 600 г/м² (интенсивное структурное использование) .

Является ли ткань из углеродного волокна водонепроницаемой?

Ткань из голого углеродного волокна не является водонепроницаемым по своей сути . Необработанная ткань пористая и впитывает воду. Однако композиты из углеродного волокна, в которых ткань пропитана или ламинирована системой смол (эпоксидной, винилэфирной или полиэфирной), после отверждения становятся эффективно водонепроницаемыми.

Ключевые моменты поведения при влажности:

• Сухая ткань из углеродного волокна легко впитывает воду, и ее следует хранить в герметичной упаковке, чтобы предотвратить загрязнение перед укладкой.
• Отвержденные композиты из углеродного волокна и эпоксидной смолы имеют очень низкое водопоглощение. менее 1% по весу даже после длительного погружения намного лучше, чем стекловолокно.
• Гальваническая коррозия вызывает беспокойство: углеродное волокно электропроводно и может ускорить коррозию алюминиевых или стальных крепежных деталей в присутствии влаги. Правильная изоляция имеет решающее значение в морских и аэрокосмических приложениях.
• Длительное воздействие ультрафиолета может привести к разрушению матрицы смолы (а не самих углеродных волокон), вызывая меление поверхности. Устойчивое к ультрафиолетовому излучению верхнее покрытие или гелькоут решают эту проблему при использовании на открытом воздухе.

Для морского использования композитные детали из углеродного волокна часто используются в корпусах, мачтах и ​​рулях гоночных яхт именно из-за сочетания малого веса и низкого водопоглощения.

Для чего используется ткань из углеродного волокна?

global carbon fiber market was valued at approximately 4,7 млрд долларов США в 2023 году и, по прогнозам, превысит 9 миллиардов долларов США к 2030 году , обусловленный спросом в различных отраслях.

Аэрокосмическая и оборонная промышленность

Это остается самым крупным и требовательным приложением. В Boeing 787 Dreamliner используются композиты из углеродного волокна примерно 50% веса конструкции , включая фюзеляж и крылья. В Airbus A350 более 50% планера также изготовлено из углеродного волокна. Этот материал позволяет экономить топливо до 20% по сравнению с традиционными алюминиевыми самолетами.

Автомобильная промышленность

Углеродное волокно является стандартом конструкции шасси Формулы 1, где весь монокок представляет собой композит из углеродного волокна. В серийных автомобилях он присутствует в панелях крыши, капотах, бамперах и внутренней отделке. В BMW i3 и i8 использовался пассажирский салон из углепластика (CFRP), что стало важной вехой в массовом внедрении автомобилей. В таких суперкарах, как Ferrari SF90 и McLaren Senna, используется обширный кузов из углеродного волокна, позволяющий поддерживать вес ниже 1500 кг, несмотря на мощные гибридные трансмиссии.

Ветроэнергетика

Лопасти ветряных турбин длиной более 60 метров требуют лонжеронов из углеродного волокна для сохранения жесткости конструкции при циклических нагрузках. Одна лопасть морской турбины может содержать более 1 тонна углеродного волокна . В 2022 году ветроэнергетика потребила около 30 000 тонн углеродного волокна.

Спортивные товары

Углеродное волокно повсеместно используется в высокопроизводительном спортивном оборудовании:

• Рамы шоссейных велосипедов (типовой вес: 700–900 г для полного комплекта рамы)
• Теннисные ракетки, клюшки для гольфа, хоккейные клюшки
• Гребные весла и весла для каяков
• Протезирование для соревнований (например, беговые лопатки)

Гражданское строительство и строительство

Листы и ленты из армированного углеродным волокном полимера (CFRP) используются для укрепления стареющих бетонных конструкций — мостов, колонн и гаражей — путем приклеивания их к внешней поверхности. Этот метод увеличивает грузоподъемность без увеличения веса или необходимости сноса конструкции.

Медицинское оборудование

Радиопрозрачность углеродного волокна (оно не блокирует рентгеновские лучи) делает его идеальным для хирургических столов, компонентов ортопедических имплантатов и оборудования для визуализации. Он также появляется в протезах конечностей, где соотношение жесткости и веса близко имитирует механические свойства кости.

Ткань против препрега: выбор правильной формы

Углеродное волокно продается в двух основных формах для изготовления композитов:

• Сухая ткань: Ткань простого плетения, требующая отдельной пропитки смолой (влажная укладка или вакуумная инфузия). Более низкая стоимость, более длительный срок хранения при комнатной температуре, предпочтителен для крупных деталей и специализированных магазинов.
• Препрег: Ткань, предварительно пропитанная частично затвердевшей смолой. Требует хранения в холодильнике (обычно при температуре -18°C), но обеспечивает более стабильное соотношение волокна и смолы и является стандартом в аэрокосмическом производстве.

Для конструкционных применений, где необходимо сертифицировать точные механические свойства, отраслевым стандартом является препрег с автоклавным отверждением. Для косметических деталей и изготовления на заказ сухая ткань с ручной укладкой или вакуумной инфузией гораздо более доступна и экономически эффективна.