2 Технология получения углеродных волокон
Углеродные волокна обычно получают термической обработкой химических или природных органических волокон, при которой в материале волокна остаются главным образом атомы углерода. Температура обработки может составлять менее 900°С (такие волокна содержат от 85 до 90 % углерода), от 900 до 1500 °С (содержание углерода от 95 до 99 %) или от 1500 до 3000 °С (с содержанием углерода более 99 %).
Углеродные волокна первоначально получали по принципам, аналогичным применяемым при синтезе стеклоуглерода. Наиболее распространенным способом и сейчас является пиролиз и последующая высокотемпературная обработка полимерных волокон. В обоих случаях волокнистую форму изделию придают на стадии предварительной обработки, а при пиролизе эта форма уже не изменяется. Волокна из полимерных материалов получают путем выдавливания через отверстия фильеры с вытяжкой, при этом отдельные структурные элементы полимера, первоначально имеющие, как правило, спиральную или глобулярную форму, приобретают форму фибрилл — нитевидных образований, длина которых на порядок и более превышает их диаметр. /1/
Окисление в воздушной среде придает волокнам огнестойкость за счет частичного дегидрирования или окисления, межмолекулярного сшивания и других процессов. При этом повышается стойкость волокон к плавлению при прогревании и сдерживается чрезмерное удаление атомов углерода. В процессе карбонизации по мере роста температуры происходит газификация и удаление всех атомов органического полимера, за исключением атомов углерода. Образовавшиеся углеродные волокна состоят из фрагментов полициклических ароматических молекул, имеющих плоскую шестиугольную сотовую структуру. В процессе графитизации накапливаются ароматические фрагменты. При этом повышаются модуль упругости и электропроводность волокон.
Углеродные волокна весьма хрупки и легко подвергаются повреждениям и разрушению при переработке. Чтобы предотвратить ухудшение свойств, вызванное этим явлением, осуществляют шлихтование нитей и жгутов, стремясь к образованию шлихтующего покрытия на элементарных волокнах. При этом шлихтующий агент должен находиться в достаточно размягченном состоянии. Шлихтующие составы могут улучшать адгезию полимерной матрицы к углеродным волокнам, что позволяет использовать такие волокна для армирования пластмасс без дополнительной обработки. /4/
2.1 Карбонизация гидратцеллюлозного волокна
Первая стадия термической обработки целлюлозы называется пиролизом и происходит при температурах, не превышающих от 350 до 400 0 С. На этой стадии протекают основные химические реакции, наблюдается небольшая потеря массы материала, образуются предструктуры, участвующие при более высоких температурах в образовании углеродного «скелета». Остаток, полученный при пиролизе, содержит от 60 до 70 % углерода. При дальнейшей термообработке – карбонизации, происходящей при более высоких температурах, достигающих от 900 до 1500 0 С, продолжаются химические процессы, обогащающие остаток углеродом.
При карбонизации изменяется комплекс физико-механических свойств волокна, что особенно важно на практике. Реакции пиролиза, протекающие в процессе карбонизации целлюлозы при температурах выше 400 0 С, связаны с образованием сформировавшихся к этому моменту структурных элементов, отличающихся большим разнообразием. Наряду с гидроксильными группами, сохраняющимися вплоть до температур термообработки (600 0 С), могут присутствовать также карбонильные группы с ненасыщенными углерод-углеродными связями, как в составе ароматических циклов, так и в виде линейных цепочек. Поскольку энергии связей в этих структурных элементах и их реакционная способность, зависящая также от ближайшего окружения, существенно различаются, то и протекающие при рассматриваемых температурах реакции весьма разнообразны. /3/
Рисунок 1 – Схема установки для карбонизации гидратцеллюлозных волокон
1 – подающий барабан; 2 – волокнистый материал; 3 – печь; 4 – камера для сжигания летучих примесей; 5 – нагреватели; 6 – приемный барабан
На процесс карбонизации целлюлозы, как на совокупность параллельно и последовательно протекающих химических реакций, большое влияние оказывают структура исходного материала, температурно-временной режим, характер среды, различные добавки.
Формирование упорядоченной структуры волокна сопровождается увеличением его плотности и прочности. Образование системы конденсированных гексоганальных колец обуславливается резким возрастанием температуры термообработки, электро- и теплопроводности. К моменту достижения от 900 до 1000 0 С карбонизируемый материал приобретает тот ценный комплекс свойств, который обеспечивает широкие перспективы его использования.
В последнее время исключительное значение приобрели углеродные волокна на основе вискозного жгута, прошедшие специальную обработку по активации поверхности. Например, термообработка в среде острого пара. Это приводит к резкому увеличению суммарной поверхности волокна – до 800 м 2 /г.
Как делают углеродное волокно
В настоящее время интерес к углеродным волокнам и полимерным композиционным материалам на их основе, являющимся перспективными материалами, достаточно высокий. В статье рассматривается появление технологии получения углеродных волокон и ее развитие. Описаны технологии получения прекурсора из полиакрилонитрила, из которого производят углеродные волокна. Показаны основные направления их усовершенствования, а также возможные пути развития получения волокон на основе углерода и их основные производители.
Введение
Углеродные волокна благодаря их уникальным механическим свойствам широко используют в композиционных материалах, где фактор экономии массы изделия является ключевым, – например, в аэрокосмической и спортивной отраслях, а также в области ветроэнергетики [1–3]. Для дальнейшего увеличения спроса на углеродные волокна в других отраслях промышленности необходимо снижение их себестоимости.
В настоящее время углеродные волокна преимущественно производят из волокон-прекурсоров из полиакрилонитрила (ПАН), в то время как для некоторых высокомодульных волокон используют пеки. Это связано с тем, что на основе данных волокон можно получать углепластики конструкционного назначения [4–7].
Себестоимость углеродных волокон на основе полиакрилонитрила по меньшей мере на 50 % определяется стоимостью производства ПАН-прекурсора. За последнее десятилетие проведено большое количество исследований и разработок по поиску более дешевых и устойчивых прекурсоров, таких как лигнин и даже полиэтилен. Однако до сих пор не достигнуто значительных коммерческих успехов в этом вопросе, что сильно контрастирует с многочисленными заявлениями в научно-технической литературе о так называемых прорывных технологиях.
В настоящее время все больше появляется исследований углеродных волокон и их использования в композиционных материалах. Огромное внимание в качестве армирующего элемента «следующего поколения» для композитов привлек еще один полностью углеродный аллотроп – углеродная нанотрубка (УНТ). Волокна и нити были изготовлены непосредственно из УНТ, которые также были добавлены в другие высокоэффективные волокна для повышения их свойств. Однако и в данном случае, несмотря на значительные исследовательские усилия и многочисленные публикации по этой тематике, полученные результаты представляли в лучшем случае интерес.
Работа выполнена при поддержке ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ.
Углеродные волокна (краткая история)
Джозеф Свон был первым, кто изготовил в 1860 г. углеродное волокно путем нагревания хлопковых волокон в отсутствие воздуха для использования в первых лампах накаливания. За ним последовал Томас Эдисон, который в 1879 г. изготовил углеродные волокна из целлюлозы (хлопка и бамбука) для применения в первых лампочках, нагреваемых электричеством. Механические свойства полученных углеродных нитей из хлопка были плохими, хотя и пригодными для основного использования в то время – первых ламп накаливания. Когда в начале 1900-х гг. вольфрам стал предпочтительным материалом для нитей накаливания, углеродное волокно устарело и в течение следующих 50 лет ему уделяли мало внимания.
Интерес к углеродным волокнам возродила в 1950-х гг. компания Union Carbide (США). В 1958 г. физик Роджер Бэкон экспериментировал с оборудованием, похожим на первые дуговые уличные фонари, но работающим при гораздо более высоком давлении, и смог вырастить тонкие углеродные нити с исключительными механическими свойствами. В своей публикации 1960 г. ученый описал эти углеродные «усы» как свернутые листы графитовых слоев, непрерывно простирающихся по длине усов в несколько сантиметров и диаметром 1–5 мкм [8]. Показатели прочности и жесткости этих углеродных нитей поистине впечатляли: прочность достигала 20 ГПа, а соответствующий модуль упругости 700 ГПа. Данное открытие считалось настоящим прорывным изобретением, однако получение нитевидных углеродных волокнистых структур оказалось чрезвычайно дорогостоящим процессом. Такие волокна оценивались в несколько десятков миллионов долларов за 1 кг и были прерывистыми. Возможно, Р. Бэкон получил помимо углеродных усов еще и несколько более тонких нанотрубок, но либо он их не заметил, либо ему в то время просто не хватило инструментов для их обнаружения. Фактически еще в 1952 г. российские ученые Л.В. Радушкевич и В.М. Лукьянович уже сообщали о полых углеродных волокнах, которые теперь называются многостенными углеродными нанотрубками [9]. К сожалению, их статья, где демонстрировались первые изображения УНТ, была на русском языке и никто не обратил на нее никакого внимания.
В конце 1970-х гг. уже были показаны изображения того, что теперь называется углеродной нанотрубкой [10]. Однако электронные микроскопы в то время не отличались достаточной мощностью, чтобы выявить количество стенок, да и эта работа не привлекла существенного внимания, поскольку в большинстве исследований внимание было сосредоточено на углеродных волокнах.
В 1959 г., через год после открытия Р. Бэконом углеродных усов, С. Форд и С. Мичелл разработали процесс получения углеродных волокон на основе термообработки вискозы при температуре до 3000 °C. В 1964 г. Р. Бэкон и В. Шаламон усовершенствовали этот процесс путем горячего растяжения и ориентации графитовых слоев, а в 1965 г. компания Union Carbide выпустила на рынок углеродное волокно марки Thornel 25 с модулем упругости, близким к 200 ГПа.
Военно-воздушные силы США в то время активно поддерживали исследования и разработки в области углеродных волокон и композитов для ракет и авиационных конструкций. И если в США акцент делали на углеродные волокна на основе целлюлозы (вискозы) в качестве прекурсора, то в Японии в 1961 г. стали использовать ПАН в качестве прекурсора углеродных волокон, а в 1964 г. начали опытное производство таких волокон. В компании Royal Aircraft Establishment (Великобритания) в 1963 г. также начали проводить исследования и разработки по волокну ПАН марки Orlon® производства компании Courtaulds. На основе этого прекурсора компания Rolls-Royce выпустила первое углеродное волокно марки Hyfil®, которое использовали для создания композитных лопаток турбины реактивного двигателя RB211.
Японцы вернули себе лидерство в производстве углеродных волокон на основе ПАН (в частности, компания Toray industries) и в 1970 г. подписали технологическое соглашение с компанией Union Carbide.
В 1970-х и 1980-х гг. в западном мире углеродные волокна представляли интерес для военной промышленности ввиду их небольшой массы по сравнению со стеклянными волокнами. Однако из-за падения железного занавеса в 1989 г. интерес к ним для военного и оборонного применения на Западе значительно снизился. Исследования и разработки в области углеродных волокон продолжались в Японии. С начала 1970-х гг. компания Toray разработала широкий ассортимент углеродных волокон на основе ПАН с различными механическими свойствами.
Следует отметить, что за последние 50 лет прочность углеродных волокон на основе ПАН-прекурсора увеличилась практически в 2,5 раза (см. рисунок). Так, приблизительно за 20 лет прочность углеродных волокон (Т300–Т800) повысилась в 1,6 раза, а за следующие 30 лет (Т800–Т1100) – в 1,2 раза. Таким образом, можно предположить, что данная технология достигла пика своего развития [11].
Развитие технологий получения углеродных волокон из ПАН-волокна ( ● ) и гидратцеллюлозы ( ■ )
Производители углеродных волокон
В свое время ведущими производителями углеродных волокон являлись многие известные компании, некоторые из них уже покинули данный сектор (такие как Asahi, BP, ICI, Courtaulds и BASF). В Европе углеродные волокна разработали в компании Courtaulds (Великобритания). Компания BASF (Германия) также была очень активна в 1980-х гг. и разработала новые способы получения волокон (формование из расплава), однако в конце холодной войны эти производители исчезли из данной области производства.
На 2022 г. общая мощность заводов – производителей углеродных волокон составляет
160 тыс. тонн в год с ежегодными темпами роста за последние десятилетия
5 %. По прогнозам, рынок углеродного волокна в мире вырастет более чем на 8 % – с 7 (2020 г.) до 8,9 млрд долл. к 2031 г. В основном широкое применение и развитие волокна получат в таких отраслях, как ветроэнергетика, аэрокосмическая и оборонная промышленность [12].
В Китае в настоящее время (2022 г.) производителями углеродного волокна являются следующие компании (производство в тоннах в год): HengShen (8), CNBC (6), Jilin-Jinggong (9), Zhongjian Technology (3), Sinopec Shanghai Petrochem (2), Weihai Guangwei (2,5), Bluestar (1,5).
Прекурсоры для углеродных волокон
Прекурсором для производства углеродных волокон в настоящее время является почти исключительно ПАН и его сополимеры. Полиакрилонитрил может быть получен с помощью процессов полимеризации в растворе, суспензии и/или эмульсии, и все они классифицируются как радикальные полимеризации.
Важными вопросами являются развитие кристалличности и результирующей морфологии во время формования ПАН-прекурсора из раствора и влияние (если таковое имеется) морфологии волокна при формовании на конечные свойства углеродного волокна. Стандартный способ получения ПАН-волокон – мокрое формование. В этом случае фильеру погружают в ванну для коагуляции, и начинается сложное взаимодействие, вызванное взаимной диффузией нерастворителя/растворителя в сформованные волокна. Произойдет разделение фаз «жидкость–жидкость» и «жидкость–твердое вещество», а именно кристаллизация. Как следствие коагуляции – сформованные волокна демонстрируют отчетливые эффекты оболочки и сердцевины с пустотами, а структура и морфология волокон в целом далеки от однородных.
Сухо-мокрое формование
В работе [13] рассмотрена разница между стандартным мокрым формованием с коагуляцией и формованием с воздушным зазором. В случае использования небольшого воздушного зазора поверхность углеродного волокна более гладкая. Следует отметить, что при сухо-мокром формовании, в отличие от формования в растворе (геле), при осаждении нити преодолевают небольшой воздушный зазор, однако затем погружаются в ванну для коагуляции, и происходят процессы массообмена.
Расплавное формование
Для получения ПАН-волокон из раствора используют либо водные ионные среды, такие как растворы ZnCl2 или NaSCN в воде, либо полярные органические растворители, такие как ДМФА и DMSO. Формование из расплава имеет преимущество – не требуется использовать вредные для окружающей среды растворители, а скорость формования выше скорости при мокром и сухо-мокром формовании и может приближаться к скорости формования термопластов, таких как полипропилен или полиэтилентерефталат.
Основной особенностью ПАН является его термическая нестабильность при температуре плавления ˃300 °C, тогда как сложная реакция внутри- и межмолекулярной циклизации начинается с температуры 222 °C. Следовательно, переработка расплава гомополимера ПАН практически невозможна. Поэтому в течение нескольких десятилетий предпринимались усилия для того, чтобы сделать ПАН пригодным для переработки через расплав. Важно различать подходы с использованием внешнего пластификатора (смесь полимера с добавками) и внутренней пластификации (сополимеризация). В обоих случаях взаимодействие нитрильных (–CN)-групп нарушается и происходит плавление при температуре меньше температуры разложения.
Уже в 1970-х гг. компании Du Pont и American Cyanamid (США) разработали серию патентов, касающихся формования из расплава гомополимера и сополимеров ПАН с использованием всех видов пластифицирующих растворителей. Крупнейшие патенты на внутреннюю пластификацию принадлежат компании Standard Oil, в которых изначально описаны и заявлены все возможные классы сомономеров [14].
В 1980-х гг. компания BASF предприняла серьезные усилия по формованию из расплава ПАН и последующему формированию углеродного волокна. Так, смесь воды и ацетонитрила использовали в качестве пластификаторов при формовании из расплава. Таким образом можно было получить ПАН-прекурсор, который вполне пригоден для получения углеродных волокон с прочностью до 4 ГПа с соответствующими модулями в диапазоне 275–300 ГПа. Кроме того, заявлено о снижении производственных затрат до 30 %, по сравнению с формованием из раствора, и увеличении скорости линии в 4 раза.
В 1991 г. программа была прекращена в связи с окончанием холодной войны. Однако усилия, предпринятые командой BASF, не оказались напрасными – исследования в аналогичном направлении проводятся и в настоящее время. Параллельно специалисты Института прикладных исследований полимеров им. Фраунгофера (IAP, Германия) утверждают, что их технология ComCarbon® сделает возможным формование волокна из расплава при низких затратах [14].
Электроформование ПАН-прекурсора
Считается, что прочность при разрыве увеличивается с уменьшением диаметра волокна, и это явление хорошо известно в случае неорганических стеклянных волокон, где прочность определяется дефектами (теория Гриффита). Однако вопрос состоит в том, касается ли это ориентированных органических волокон.
В случае с ПАН и, в частности, с полученным из него углеродным волокном не выяснено, влияет ли диаметр волокна на прочность при растяжении. В случае со стеклянными волокнами прочность увеличивается потому, что во время горячей вытяжки устраняются поверхностные дефекты, которые являются инициаторами трещин, тогда как в случае с углеродными волокнами их внутренняя структура (морфология) неоднородна по сравнению с однородными аморфными стеклянными волокнами. Методом получения углеродных волокон со сверхмалыми диаметрами является электроформование – универсальный инструмент для производства полимерных волокон в диапазоне от нано- до микрометра [15].
Полученные методом электроформования углеродные волокна (с различными диаметрами) обладают модулем упругости, равным
60 ГПа, и прочностью при разрыве от 0,3 до 0,9 ГПа. Более низкие механические свойства этих углеродных нановолокон, по сравнению с коммерческими углеродными волокнами, обусловлены главным образом относительно плохой ориентацией макромолекул и нарушениями в структуре «ядро–оболочка» этих углеродных нановолокон [16].
Получение углеродных нановолокон на основе ПАН также показано в работе [17], где достигнуты значения модуля упругости от 40 до 60 ГПа и прочности при разрыве от 0,3 до 0,6 ГПа. Авторы работы сообщают об оптимизированных технологических условиях для получения прочных углеродных нановолокон на основе ПАН [18], а также о значениях модуля упругости до 200 ГПа и прочности при разрыве до 3,5 ГПа при карбонизации, что свидетельствует о приближении свойств данных волокон к механическим характеристикам базового углеродного волокна T300, но не превосходящих их. Однако в настоящее время электроформование все еще находится в академической сфере и его трудно масштабировать, хотя некоторые альтернативные разработки (например, роторно-струйное прядение) могут иметь несколько больший потенциал для масштабирования сверхтонких волокон [19].
Волокна на основе углеродных нанотрубок
Итак, в 1958 г. Роджер Бэкон [8] изготовил то, что он назвал графитовыми нитями, полученными в дуге постоянного тока (в компании Union Carbide), и сообщил об их уникальных свойствах: прочность достигала
20 ГПа, а соответствующая жесткость 700 ГПа. В 1978 г. Моринобу Эндо в рамках своей докторской диссертации в Орлеанском университете (Франция) использовал метод выращивания графитовых нитей из пара [20] и мог производить их очень малого диаметра (
7 нм). Однако в то время эти нити не были признаны углеродными нанотрубками. После открытия фуллеренов в 1985 г. исследователи начали изучать различные аллотропы углерода.
Несколько групп исследователей стремились разработать макроскопические нити, изготовленные исключительно из УНТ, в качестве прямой замены нитей из углеродного волокна путем прядения выровненных массивов нанотрубок [21]. Свойства этих нитей часто были в лучшем случае невысокими. Один из более ранних примеров формования таких нитей – это метод Рэя Баумана и его коллег с использованием процесса, который включал одновременно вытягивание и скручивание из «леса нанотрубок» [22]. Однослойные нити имели очень низкую прочность при разрыве (
250 МПа), в то время как двухслойные нити достигали прочности
400 МПа. После инфильтрации поливинилового спирта прочность материала достигла 800 МПа. Модуль упругости составлял самое большее 25 ГПа, и, следовательно, уровень свойств этих нитей был значительно меньше, чем у базовых углеродных волокон.
Причины таких низких значений довольно очевидны и являются фундаментальной проблемой для всех крученых нитей из УНТ. Нанотрубки в этих скрученных нитях ориентированы под углом спирали к оси нити, в то время как предельная прочность определяется кручением и трением между трубками, а не их внутренней прочностью. Это означает, что свойства определяются механикой нити, а не внутренними характеристиками УНТ.
Масштабирование (от лабораторного до промышленного) является еще одной проблемой в непрерывном производстве УНТ-волокон, лент и пленок. Значительные усилия предприняты компанией Nanocomp Technologies Inc. (Мерримак, Нью-Йорк, США), которая утверждает, что производит самые длинные УНТ длиной 1–10 мм, но диаметром всего 3–5 нм, что дает соотношение сторон >106.
Согласно данным компании Nanocomp, их волокна марки Miralon® обладают прочностью при разрыве, значение которой приближается к уровню прочности арамидных волокон, а благодаря меньшей плотности такие волокна могут конкурировать по сопротивлению усталости с углеродными волокнами. Очень важной характеристикой этих непрерывных УНТ-волокон является их высокая прочность «на узлы», поскольку они являются гибкими в отличие от хрупких углеродных волокон. Углеродное волокно теряет >90 % своей прочности при завязывании, в то время как волокна марки Miralon® сохраняют ее благодаря тому, что состоят из миллионов гибких и запутанных УНТ длиной 1 мм. В компании Nanocomp возлагали большие надежды на такие волокна – предполагалось множество их будущих применений. К сожалению, в 2018 г. компанию Nanocomp приобрела компания Huntsman, на веб-сайте которой нити Miralon® выглядят уже менее впечатляющими, чем первоначально предполагалось.
Заключения
Технологии производства углеродных волокон достигли высокого уровня, а предложение лидера рынка – компании Toray ‒ существенно не изменилось с середины 1980-х гг. Тем не менее в последнее время наблюдается большое количество исследований в области снижения затрат при производстве углеродных волокон и создания более дешевых волокон-прекурсоров на основе лигнина или полиэтилена. В то же время существует повышенный интерес к разработкам в области углеродных наноматериалов и волокон на основе УНТ.
Следует отметить, что перспективы применения волокон на основе углеродных нанотрубок в настоящее время не выглядят многообещающими, поскольку только малая часть разработок материализовалась в реальные коммерческие продукты. Возможно, дальнейшее развитие технологий позволит использовать данные материалы на уровне существующих углеродных волокон.
Как делают карбон для суперкаров: чем он так хорош
В 2018 году на шоу винтажных автомобилей Pebble Beach Concours d’Elegance в США показали новый гиперкар Bugatti под орущим для русскоговорящих названием Divo. Эта тачка оказалась самой дорогой в ассортименте известного бренда. Всего выпустят 40 машин по 5 миллионов евро каждая — все они давно раскуплены.
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
Чтобы сделать карбон, нужна нить из полимеров или органики: полиакрилонитрильная, фенольная, лигниновая, вискозная. Её термическим образом обрабатывают в открытом пространстве при температуре 250 градусов по Цельсию в течение суток. За это время она фактически обугливается.
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
Отдельные нити карбона можно «скручивать» в единое полотно несколькими способами. От того, какой используется, зависит не только рисунок получившегося материала, но и его технические характеристики: прочность, плотность, жёсткость и не только. А вот чтобы получить оптимальные значения по этим показателям, чаще всего используют послойную проклейку разных видов волокон. Именно тогда материал получается максимально практичным и технологичным. Здесь есть свои нюансы, но основных видов волокна четыре. Это полотно, ёлочка, сатин и корзина. Вот, как они выглядят.
Полотно. Этот вид плетения считается наиболее плотным. В данном случае нити карбона переплетаются по очереди один к одному. Главным преимуществом этого типа считается максимальная фиксация фактуры. Тем не менее, за счёт этого оно получается менее пластичным.
Ёлочка. Этот вид плетения называют саржевым. В данном случае используется схема два к двум: две основные нити вплетаются через пару других нитей. Это плетение куда прочнее, чем предыдущее, и считается самым востребованным. Чаще всего используют именно его.
Сатин. Такое плетение — антипод двум предыдущим. Оно считается наименее плотным, но наиболее пластичным. Каждая из основных нитей в данном случае проходит над несколькими дополнительными нитями — именно это даёт ему необходимую рыхлость.
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.
Формование. Для этого способа работы с углеволокном понадобится макет готового изделия, который также называют матрицей. Её обычно делают из алебастра, гипса или монтажной пены. На неё накладывается пропитанное смолой полотно из карбона, а потом оно прокатывается специальными валиками, чтобы убрать весь воздух между материалом и заготовкой — это может происходить как в холодном состоянии, так и в горячем. После этого, как и в предыдущем случае, нужно дождаться, чтобы смола высохла. Затем готовое изделие можно отделять от заготовки и начинать сначала.
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.
Немного технических особенностей для понимания карбона
Так как карбон делается из нескольких материалов (углеродное полотно в качестве основы и эпоксидная смола для связки), которые отличаются свойствами, он получается достаточно интересным и необычным по своим техническим характеристикам. Именно поэтому его и используют в суперкарах и не только.
| Показатели | Плотность (ρ, кг/ м³) | Температурный режим (Тпл, °C) | Предел прочности (σB, МПа) | Упругость (σB/ρ, МПа/кгм-3) |
| Углерод | 1413 | 3700 | 2760 | 157 |
| Стекло E | 2548 | 1316 | 3450 | 136 |
| Стекло S | 2493 | 1650 | 4820 | 194 |
| Графит | 1496 | 3650 | 2760 | 184 |
| Молибден | 166 | 3650 | 1380 | 14 |
| Полиамид | 1136 | 249 | 827 | 73 |
| Полиэфир | 1385 | 248 | 689 | 49 |
| Сталь | 7811 | 1621 | 4130 | 53 |
| Титан | 4709 | 1668 | 1930 | 41 |
| Вольфрам | 19252 | 3410 | 4270 | 22 |
| Алюминий | 2687 | 660 | 620 | 2300 |
| Асбест | 2493 | 1521 | 1380 | 5500 |
| Бериллий | 1856 | 1284 | 1310 | 7100 |
| Карбид бериллия | 2438 | 2093 | 1030 | 4200 |
У карбона есть не только достоинства, но и недостатки
Карбон отличается сложностью в производстве — сделать его куда труднее, чем стеклопластик или стекловолокно. Именно поэтому он стоит достаточно дорого: тут сказывается и время в работе, и дороговизна необходимого оборудования. На выходе у него есть неоспоримые преимущества и недостатки, про которые нужно помнить.
Преимущества:
- этот материал легче алюминия на 20%, стали — на 40%;
- карбон из углерода и кевлара отличается невероятной прочностью;
- он сохраняет прочность и форму приблизительно до 2000 градусов по Цельсию;
- материал отлично гасит вибрации;
- карбон не боится коррозии;
- это прочный и упругий материал;
- его можно использовать в декоративных целях.
Недостатки:
- карбон плохо переносит точечные повреждения;
- этот материал практически невозможно реставрировать после повреждений;
- без дополнительного покрытия он может выгорать на солнце;
- карбон вызывает коррозию металла, поэтому его с ним нельзя соединять напрямую;
- такой материал очень сложно утилизировать и использовать повторно.
В общем и целом, карбон — суперинтересный и действительно высокотехнологичный материал, из которого можно делать детали для тех же суперкаров. Тем не менее, сферы его реального применения только этим не ограничены — дошло до того, что из него уже делают даже аксессуары для смартфонов.
Способ изготовления углеродного волокна
высокотемпературную термическую обработку при 800-1450°С, на данной стадии завершается процесс термического разложения неорганических веществ, сопровождающийся удалением оставшегося водорода и гетероатомов в виде летучих соединений, что приводит к получению насыщенных углеродом полиакриловых волок. Микроструктура полиакрилового волокна характеризуется высокой пористостью и заданной степенью упорядоченности, создающей большую внутреннюю поверхность в процессе карбонизации достигающую 400 м2/г., придавая таким образом будущему материалу высокие удельные механические и энергетические свойства, заключенные в единице объема. Для наглядности структурообразующей способности ПАН-волокна можно констатировать, что для образования 1,0 м2 углеродной ленты CarbonWrap Tape 530/300 потребовалось осадить и упорядочить углеродом площадь равную 27-ми футбольным полям (192 780 м2) по меркам, рекомендуемым FIFA. На входе и выходе печи карбонизации установлены герметизирующие камеры, препятствующие попаданию кислорода воздуха в реактор, чтобы предотвратить горение. Карбонизация проводится в среде азота с чистотой 99,99%.