Углепластик (Карбон)

1.

УГЛЕПЛАСТИК
(КАРБОН)
Выполнил: Вождаев Д.В.
Группа: Х-490004

2.

ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ
• Карбон (углепластики, карбонопластики)— полимерные композитные материалы
из переплетённых нитей углеродного волокна, расположенных в матрице из
полимерных (например, эпоксидных) смол. Плотность — от 1500 кг/м³ до 2000
кг/м³.
• Материалы отличаются высокой прочностью, жёсткостью и малой массой, часто
прочнее стали, и гораздо легче. По удельным характеристикам превосходит
высокопрочную сталь, например, легированную конструкционную сталь 25ХГСА.

3.

ПОЛУЧЕНИЕ УГЛЕПЛАСТИКОВ
Основная составляющая часть углепластика — это нити углеродного волокна, состоящего в основном из
атомов углерода. Такие нити очень тонкие (примерно 0,005–0,010 мм в диаметре), сломать их очень просто, а
вот порвать достаточно трудно. Из этих нитей сплетаются ткани. Они могут иметь разный рисунок плетения
(ёлочка, рогожа и др.).
Для придания ещё большей прочности ткани нити углерода кладут слоями, каждый раз меняя угол
направления плетения. Слои скрепляются с помощью полимерных смол.
• Нити углерода обычно получают термической обработкой химических или природных органических
волоко. При этом в материале волокна остаются главным образом атомы углерода. Термическая обработка
состоит из нескольких этапов:
Первый из них представляет собой окисление исходного (полиакрилонитрильного, вискозного) волокна
на воздухе при температуре 250 °C в течение 24 часов. В результате окисления образуются лестничные
структуры.
После окисления следует стадия карбонизации — нагрева волокна в среде азота или аргона при
температурах от 800 до 1500 °C. В результате карбонизации происходит образование графитоподобных
структур.
Процесс термической обработки заканчивается графитизацией при температуре 1600-3000 °C, которая
также проходит в инертной среде. В результате графитизации количество углерода в волокне доводится
до 99 %.

4.

СВОЙСТВА УГЛЕПЛАСТИКОВ
• Углепластики
отличаются
от
традиционных
конструкционных
материалов сочетанием таких свойств,
как высокие удельные прочность и
жесткость,
низкие
коэффициенты
линейного термического расширения и
трения, высокая износостойкость и
устойчивость к воздействию агрессивных
сред, термическому и радиационному
ударам, повышенная теплопроводность и
электрофизические
свойства,
изменяющиеся в широких пределах,
высокая усталостная прочность при
статических и динамических нагрузках.
По удельным показателям прочности и
жесткости углепластики превосходят
практически все наиболее широко
используемые
конструкционные
полимерные и металлические материалы.
Как видно из таблицы, по показателям удельной прочности и
жесткости углепластики превосходят практически все наиболее широко
используемые конструкционные полимерные и металлические
материалы. Стоит отметить, что такой сравнительно непрочный
конструкционный полимерный материал, как полиамид, при введении
в него углеродных волокон по показателям удельной прочности и
жесткости приближается к металлическим конструкционным
материалам.

5.

СВОЙСТВА УГЛЕПЛАСТИКОВ
• Экономическая целесообразность использования углепластиков взамен металлов
определяется также сравнительно низкими удельными затратами энергии (в кВт⋅ч) на
производство конструкционных материалов и изделий из них:
Таким образом, в пересчете на 1 кг готовых изделий из эпоксидного углепластика энергии
расходуется в 3 раза меньше, чем на изделия из стали, в 5,5 раза меньше, чем на изделия из
алюминия и его сплавов и в 20 раз меньше, чем на изделия из титана.

6.

СВОЙСТВА УГЛЕПЛАСТИКОВ
• Углеродные волокна обладают высокой химической стойкостью ко всем агрессивным
средам за исключением сильных окислителей. Высокая химическая стойкость
углеродных волокон определила разработку хемостойких углепластиков взамен
нержавеющих сталей, сплавов и цветных металлов для изготовления различной
аппаратуры и узлов машин, работающих в условиях воздействия агрессивных сред:
коррозионностойких насосов, емкостей и трубопроводов.
• Наряду с высокими механическими свойствами и хемостойкостью углепластики
обладают хорошими антифрикционными характеристиками, сравнительно низким
коэффициентом трения и повышенной износостойкостью. Коэффициент трения
углепластиков колеблется от 0,1 до 0,17 в зависимости от условий испытания, а по
износостойкости они в 5–10 раз превосходят антифрикционные марки бронзы,
используемые для изготовления подшипников скольжения.

7.

СВОЙСТВА УГЛЕПЛАСТИКОВ
• Важной характеристикой конструкционных
материалов является стабильность размеров
деталей
при
изменении
температуры.
Варьированием вида углеродных волокон,
вводимых в полимер, и схемы армирования
можно добиться существенного снижения
коэффициента
линейного
термического
расширения углепластиков и изменения его в
довольно широких пределах. Коэффициент
линейного термического расширения (КЛТР)
– α углепластиков в 15–20 раз ниже, чем у
металлов и в 50–100 раз ниже, чем у
неармированных полимеров.

8.

ПРИМЕНЕНИЕ УГЛЕПЛАСТИКОВ
• Углепластики находят все более широкое применение в различных отраслях
промышленности. В машиностроительной промышленности- для изготовления
кузовов легковых и кабин грузовых автомобилей, дверей, бамперов, цистерн для
перевозки топлива, однолистовых рессор и рычагов подвески, труб карданных
передач, корпусов двигателей, деталей шатуннопоршневой группы

9.

ПРИМЕНЕНИЕ УГЛЕПЛАСТИКОВ
• В строительстве, например, углеродные ткани применяются в системе внешнего
армирования. Использование углеродной ткани и эпоксидного связующего при
ремонте несущих конструкций (мостов и промышленных, складских, жилых зданий)
позволяет проводить реконструкцию в сжатые сроки и со значительно меньшими
трудозатратами по сравнению с традиционными способами. При этом, хотя срок
ремонта снижается в разы, срок службы конструкции увеличивается также в
несколько раз. Несущая способность конструкции не просто восстанавливается, но и
увеличивается в несколько раз.

10.

ПРИМЕНЕНИЕ УГЛЕПЛАСТИКОВ
• В авиации углеродные материалы используются для создания цельных
композитных деталей. Сочетание легкости и прочности получаемых изделий
позволяет заменить алюминиевые сплавы углепластиковыми. Композитные детали,
при их весе в 5 раз меньшем, чем аналогичных алюминиевых, обладают большей
прочностью, гибкостью, устойчивостью к давлению и некоррозийностью.