Чистая углеродная ткань: прочность, использование и руководство по материалам

Чистая углеродная ткань представляет собой тканый или неизвитый текстиль, полностью изготовленный из нитей углеродного волокна, без примесей стеклянных, арамидных или других материалов. Он исключительно прочный — обеспечивает прочность на разрыв 3500–7000 МПа в зависимости от сорта волокна — и при этом удивительно легкий, обычно его вес составляет от 80 до 600 г/м². Несмотря на то, что он жесткий по оси волокон, он не является мягким на ощупь в сыром виде; однако после ламинирования смолой он становится жестким и структурным, что делает его одним из самых высокоэффективных инженерных материалов, доступных сегодня.

Какой материал представляет собой чистую углеродную ткань?

Чистая углеродная ткань изготавливается из углеродного волокна, которое само по себе производится путем термической обработки исходных материалов — чаще всего полиакрилонитрила (ПАН), но также пека или вискозы — при температурах от 1000°C до 3000°C в инертной атмосфере. Этот процесс карбонизации удаляет почти все неуглеродные элементы, оставляя после себя тонкие нити, которые на 92–99% состоят из чистого углерода по массе.

Отдельные углеродные нити чрезвычайно тонкие, обычно 5–10 микрометров в диаметре (примерно в 10 раз тоньше человеческого волоса). Тысячи этих нитей объединены в жгуты, обычно обозначаемые как 1К, 3К, 6К, 12К или 24К, где К = 1000 нитей. Затем из этих жгутов ткут ткань на промышленных ткацких станках, получая листы с определенной архитектурой переплетения.

Наиболее распространенные узоры переплетения, используемые в ткани из чистого карбона, включают:

• полотняное переплетение - каждый жгут пересекает поочередно над и под соседними жгутами. Создает плотную, сбалансированную структуру с хорошей стабильностью размеров. Широко используется в аэрокосмических панелях и видимых косметических поверхностях.
• Саржевое переплетение (2х2 или 4х4) - буксиры проходят над двумя или более соседними буксирами, прежде чем уйти под воду, создавая характерный диагональный ребристый рисунок. Обеспечивает лучшую драпировку на сложных изгибах, чем полотняное переплетение, что делает его предпочтительным для автомобильных кузовов и спортивных товаров.
• Атласное переплетение (4ХС, 5ХС, 8ХС) — жгуты плавают над несколькими переплетениями перед тем, как пройти под ними, что приводит к очень гладкой поверхности и превосходной драпируемости. Используется там, где качество поверхности и соответствие малым радиусам имеют решающее значение.
• Однонаправленный (UD) — волокна идут только в одном направлении и скрепляются легкими поперечными нитками или сшивкой. Максимальная жесткость и прочность вдоль оси волокна; обычно используется в конструкционных ламинатах, где направление нагрузки предсказуемо.

Чистый углерод прочен? Объяснение цифр

Да, ткань из чистого карбона — один из самых прочных по весу материалов, доступных в коммерческой форме. Его механические характеристики определяются маркой используемого углеродного волокна и архитектурой переплетения ткани. Приведенное ниже сравнение сравнивает его с другими распространенными конструкционными материалами:

*Удельная прочность = предел прочности, разделенный на плотность (МПа/г/см3). Более высокие значения означают сильнее на единицу веса.

Углеродное волокно марки Т700, используемое во многих коммерческих тканях из чистого углерода, обеспечивает удельную прочность примерно в 24 раза выше, чем у конструкционной стали, и почти в 24 раза выше, чем у алюминиевого сплава. Благодаря этому соотношению ламинированные панели из чистой углеродной ткани могут заменить стальные или алюминиевые компоненты в аэрокосмической отрасли и автоспорте при незначительном весе.

Важно отметить, что чистая углеродная ткань сама по себе не является конструкционной — ее прочность достигается после объединения ее с матричной смолой (эпоксидной, винилэфирной или аналогичной) в процессе ламинирования. Полученный композит из полимера, армированного углеродным волокном (CFRP), наследует прочность волокон ткани, в то время как смола связывает слои и передает нагрузку между нитями.

Мягка ли ткань из чистого углерода?

В сухом, неламинированном состоянии ткань из чистого карбона имеет отчетливую текстуру, которая варьируется в зависимости от переплетения. Ткани полотняного переплетения и саржа кажутся умеренно жесткими и слегка шероховатыми, а не мягкими, как текстильные ткани для одежды. Отдельные углеродные нити хрупкие при точечной нагрузке и ломаются при резком сгибании, в отличие от стеклянных или арамидных волокон, которые могут выдерживать большую деформацию при обращении.

Ткани из чистого карбона сатинового переплетения имеют заметно более гладкую поверхность благодаря более длинным волокнам, плавающим на лицевой стороне ткани, и легче драпируются на сложных формах. Однако «мягкость» в общепринятом смысле не является конструктивной характеристикой чистой углеродной ткани — она создана для структурных характеристик, а не тактильного комфорта.

После пропитывания смолой и отверждения ткань из чистого карбона становится полностью жесткой. Затвердевшую поверхность ламината можно сделать гладкой, блестящей и иметь характерный визуальный рисунок (особенно заметный на сарже 2x2), который ценится за свою эстетику в автомобильной промышленности, производстве спортивных товаров и бытовой электроники.

Как используется ткань из чистого углерода?

Ткань из чистого углерода используется во многих отраслях промышленности, где требуются высокая жесткость, малый вес, стабильность размеров и усталостная прочность. Ткань представляет собой этап армирования в композитной системе; приложение определяет, какое переплетение, сорт волокна и тип ламината подходят.

Аэрокосмическая и оборонная промышленность

В основных конструкциях планера, поверхностях управления, спутниковых панелях и корпусах ракетных двигателей используются ламинаты из чистой углеродной ткани. Boeing 787 Dreamliner примерно на 50% состоит из углеродного волокна по весу — выбор конструкции, который снижает вес планера примерно на 20% по сравнению с эквивалентной алюминиевой конструкцией, что напрямую снижает расход топлива. Оборонные применения включают в себя планеры БПЛА, оперение ракет и баллистические панели.

Автомобильная промышленность и автоспорт

В монококах Формулы-1, прототипах шасси Ле-Мана и кузовных панелях дорожных автомобилей широко используется чистый углерод. McLaren MP4/1, представленный в 1981 году, стал первым автомобилем Формулы-1 с полностью монококом из углеродного волокна — разработка, которая изменила безопасность и производительность шасси во всем виде спорта. Применение в дорожных автомобилях варьируется от полностью карбонового кузова на суперкарах, таких как Lamborghini Aventador, до карбоновых капотов и панелей крыши на серийных автомобилях.

Спортивные товары и оборудование для отдыха

Велосипедные рамы, корпуса для гребли, теннисные ракетки, рукоятки клюшек для гольфа, хоккейные клюшки и лыжные палки — все они изготовлены из композитов из чистой углеродной ткани. Высококачественная карбоновая рама шоссейного велосипеда обычно весит 700–900 граммов — менее половины веса эквивалентной алюминиевой рамы — и при этом обеспечивает большую жесткость при нагрузках при педалировании и лучшее гашение вибраций на неровных поверхностях.

Морской

В корпусах гоночных яхт, мачтах и компонентах стрелы используется чистая углеродная ткань, обеспечивающая сочетание жесткости и веса и устойчивости к коррозии. Углеродное волокно не корродирует в соленой воде, что исключает механизмы деградации, которые влияют на алюминий и сталь в морской среде. Мачты яхт, участвующих в океанских гонках, участвующих в таких соревнованиях, как Vendee Globe, почти всегда изготавливаются из композитного углеродного волокна.

Промышленность и машиностроение

В роботизированных рычагах, корпусах прецизионных инструментов, оборудовании для медицинской визуализации (столешницы МРТ, каркасы рентгеновских кассет) и приспособлениях для высокотемпературных производственных процессов используются композиты из чистой углеродной ткани. Почти нулевой коэффициент теплового расширения углеродного волокна в направлении волокна делает его очень ценным в тех случаях, когда стабильность размеров в температурном диапазоне имеет решающее значение, например, в отражателях спутниковых антенн и опорах зеркал телескопов.

Выбор подходящей ткани из чистого углерода для вашего применения

Ключевыми параметрами при выборе ткани из чистого углерода являются сорт волокна, количество жгутов, рисунок переплетения и вес ткани (г/м²). В следующем руководстве суммированы наиболее важные компромиссы:

• Ткани стандартного модуля (например, Т300, Т700) — наиболее экономичный выбор для конструкций, где абсолютная жесткость вторична по сравнению с прочностью. Подходит для автомобильных деталей, спортивных товаров, судостроения и общего производства композитов.
• Ткани среднего и высокого модуля (например, IM7, M40, M55). - используется там, где максимальная жесткость на единицу веса имеет решающее значение, например, в аэрокосмических конструкциях и прецизионных приборах. Значительно более высокая стоимость по сравнению с тканями стандартного модуля.
• 3К жгутовые ткани — более тонкое переплетение, более гибкая драпировка, более гладкий внешний вид. Предпочтителен для видимых косметических поверхностей и сложной изогнутой геометрии.
• Жгутовые ткани плотностью 12К или 24К — более низкая стоимость единицы волокна, более быстрое покрытие простоя. Предпочтителен для больших структурных панелей, где внешний вид поверхности является вторичным по сравнению со скоростью сборки и стоимостью материала.
• Плотность ткани 80–200 г/м. — тонкие слои для точной графики ламината и сложных форм; несколько слоев укладываются друг на друга для достижения целевой толщины ламината.
• Плотность ткани 300–600 г/м². — более тяжелые ткани для более быстрого наращивания толстых конструкционных ламинатов. Каждый слой увеличивает толщину, сокращая общее количество слоев и время укладки.

Рекомендации по обращению и обработке

Чистая углеродная ткань требует особых методов обращения для сохранения целостности волокна и достижения стабильных характеристик ламината:

• Избегайте резких изгибов и складок — Углеродные нити хрупкие и сломаются, если ткань сложить под большим углом. При хранении или транспортировке рулонов ткани сворачивайте их, а не складывайте.
• Режьте острыми ножницами или дисковым ножом. — Тупые лезвия изнашивают края жгута и нарушают выравнивание волокон по границам разреза. Роторные ножи с твердосплавными или керамическими лезвиями обеспечивают максимально чистую кромку тканых материалов.
• Надевайте перчатки и респиратор во время резки и шлифовки. — фрагменты углеродного волокна острые на микроскопическом уровне и могут вызвать раздражение кожи. При шлифовании отвержденных углеродных ламинатов образуется мелкая респирабельная пыль, требующая соответствующей защиты органов дыхания.
• Хранить в сухом месте и вдали от воздействия ультрафиолета. — хотя углеродное волокно само по себе устойчиво к УФ-излучению, замасливатели, нанесенные во время производства, могут деградировать при длительном воздействии УФ-излучения. Храните рулоны ткани в герметичных пакетах или непрозрачных тубах.
• Препрег против сухой ткани — Чистая углеродная ткань доступна в виде сухого тканого полотна (используется в процессах мокрой укладки, инфузии или препрега) или в виде предварительно пропитанного (препрега) материала с уже нанесенной смолой. Препрег требует хранения в морозильной камере, но обеспечивает более стабильное соотношение волокон и смолы и более высокое качество ламината.