Вуглепластыкі

Вугляпластыкі (або карбон, карбонапластыкі, ад англ.: carbon — вуглярод) — палімерныя кампазіцыйныя матэрыялы з пераплеценых нітак вугляроднага валакна, размешчаных у матрыцы з палімерных (напрыклад, эпаксідных) смол. Шчыльнасць — ад 1450 кг/м³ да 2000 кг/м³.

Ліст з вугляпластыку

Вугляродная ламель (пултрузійная пласціна)

Матэрыялы адрозніваюцца высокай трываласцю, калянасцю і малой масай, часта больш трывалыя за сталь, але значна лягчэйшыя. Па ўдзельных характарыстыках пераўзыходзяць высокатрывалую сталь, напрыклад, легіраваную канструкцыйную сталь 25ХГСА.

З прычыны дарагоўлі пры эканоміі сродкаў і адсутнасці неабходнасці атрымання максімальных характарыстык гэты матэрыял ужываюць у якасці ўзмацняючых дапаўненняў у асноўным матэрыяле канструкцыі.

Асноўныя звесткі

Асноўная састаўная частка вугляпластыку — гэта ніткі вугляроднага валакна, якое складаецца ў асноўным з атамаў вугляроду. Такія ніткі вельмі тонкія (прыкладна 0,005-0,010 мм у дыяметры), зламаць іх вельмі проста, а вось парваць дастаткова цяжка. З гэтых нітак сплятаюцца тканіны. Яны могуць мець розны малюнак пляцення (ялінка, рагожа і інш.).

Для надання тканіне яшчэ большай трываласці, ніткі вугляроду кладуць пластамі, кожны раз змяняючы вугал напрамку пляцення. Пласты змацоўваюцца з дапамогай эпаксідных смол.

Ніткі вугляроду звычайна атрымліваюць тэрмічнай апрацоўкай хімічных або прыродных арганічных валокнаў, пры якой у матэрыяле валакна застаюцца галоўным чынам атамы вугляроду. Тэрмічная апрацоўка складаецца з некалькіх этапаў:

1. Першы з іх уяўляе сабой акісленне зыходнага (поліакрыланітрыльнага, віскознага) валакна на паветры пры тэмпературы 250 °C на працягу 24 гадзін. У выніку акіслення ўтвараюцца лесвічныя структуры.
2. Пасля акіслення следуе стадыя карбанізацыі — нагрэву валакна ў асяроддзі азоту або аргону пры тэмпературах ад 800 да 1500 °C. У выніку карбанізацыі адбываецца ўтварэнне графітападобных структур.
3. Працэс тэрмічнай апрацоўкі заканчваецца графітызацыяй пры тэмпературы 1600-3000 °C, якая таксама праходзіць у інэртным асяроддзі. У выніку графітызацыі колькасць вугляроду ў валакне даводзіцца да 99 %.

Акрамя звычайных арганічных валокнаў (часцей за ўсё віскозных і поліакрыланітрыльных), для атрымання нітак вугляроду могуць быць выкарыстаны спецыяльныя валокны з фенольных смол, лігніну, каменнавугальных і нафтавых пекаў. Акрамя таго, дэталі з карбону пераўзыходзяць па трываласці дэталі са шкловалакна, але пры гэтым абыходзяцца значна даражэй.

Дарагоўля карбону выклікана, перш за ўсё, больш складанай тэхналогіяй вытворчасці і большым коштам вытворных матэрыялаў. Напрыклад, для праклейкі слаёў выкарыстоўваюцца больш дарагія і якасныя смолы, чым пры працы са шкловалакном, а для вытворчасці дэталяў патрабуецца больш дарагое абсталяванне (да прыкладу, такое як аўтаклаў).

Недахопы

Пры вытворчасці вугляпластыкаў неабходна вельмі строга вытрымліваць тэхналагічныя параметры, пры парушэнні якіх трываласць вырабаў рэзка зніжаецца. Неабходныя складаныя і дарагія меры кантролю якасці вырабаў (у тым ліку ультрагукавая дэфектаскапія, рэнтгенаўская, токавіхравая, аптычная галаграфія і нават акустычны кантроль).

Іншым сур’ёзным недахопам вугляпластыкаў з’яўляецца іх нізкая ўстойлівасць да ўдарных нагрузак. Пашкоджанні канструкцый пры ўдарах староннімі прадметамі (нават пры падзенні інструмента на яе) у выглядзе ўнутраных расколін і расслаенняў могуць быць нябачныя воку, але прыводзяць да зніжэння трываласці; разбурэнне пашкоджанай ударамі канструкцыі можа адбыцца ўжо пры адноснай дэфармацыі, роўнай 0,5 %.

Вытворчасць

Вугляпластык

• Прэсаванне. Вуглетканіна высцілаецца ў форму, папярэдне змазаную антыадгезівам (напрыклад, мыла, воск, воск у бензіне, Цыатым-221, крэмнійарганічныя змазкі). Прамакаецца смалой. Лішкі смалы выдаляюць у вакууме (вакуум-фармаванне) або пад ціскам. Смала палімерызуецца, часам пры награванні. Пасля палімерызацыі смалы выраб гатовы.
• Кантактнае фармаванне. На прыкладзе вырабу бампера: бярэцца металічны зыходны бампер, змазваецца раздзяляльным пластом. Затым на яго напыляецца мантажная пена (гіпс, алебастр). Пасля зацвярдзення здымаецца. Гэта матрыца. Затым яе змазваюць раздзяляльным пластом і выкладваюць тканінай. Тканіна можа быць папярэдне прасякнутай, а можа прамакацца пэндзлем або палівацца непасрэдна ў матрыцы. Затым тканіна пракатваецца валікамі — для ўшчыльнення і выдалення бурбалак паветра. Затым ідзе палімерызацыя (калі ацвярджальнік гарачага ацвярджэння, то ў печы, калі не, то пры пакаёвай тэмпературы 25 °C). Затым бампер здымаецца, калі трэба — шліфуецца і фарбуецца.
• Вакуумная інфузія. На падрыхтаваную матрыцу выкладваецца вугляродная тканіна (без насычэння), далей выкладваюцца тэхналагічныя пласты для раўнамернага распаўсюджвання злучальнага рэчыва. Пад тэхналагічны пакет падаецца разрэджанне. Пасля гэтага адкрываецца клапан падачы злучальнага рэчыва, і яно пад дзеяннем вакууму запаўняе пустэчы і насычае вугляродную тканіну.
• Вакуумнае фармаванне. Гэта змяненне формы плоскіх нарыхтовак (лістоў або плёнак) з тэрмапластычнага палімернага матэрыялу пры падвышаных тэмпературах і ўздзеянні вакууму ў аб’ёмныя фармаваныя вырабы. За кошт адносна невысокага кошту тэхналагічнай аснасткі гэта тэхналогія аказваецца вельмі прывабнай пры вытворчасці партый вырабаў ад 10 да 5000 шт., а часам і да 30.000 шт.
• Пултрузія. Тэхналогія вырабу высоканапоўненых валакном кампазіцыйных дэталяў з пастаяннай папярочнай структурай. У цяперашні час актыўна выкарыстоўваецца ў вытворчасці палімерных кампазіцыйных матэрыялаў, напрыклад, для вытворчасці вугляродных ламелей (пласцін).
• Намотка. Сутнасць тэхналогіі заключаецца ў бесперапынным намотванні папярэдне прасякнутага ровінга (шклянога, вугляроднага, базальтавага, камбінаванага) або стужкі на папярэдне падрыхтаваную форму — мандрэль. Пасля намотвання неабходнай колькасці слаёў мандрэль з намотанымі пластамі змяшчаецца ў награвальную печ для далейшай палімерызацыі.
• RTM. Сухі армавальны матэрыял укладваецца паміж дзвюх частак герметычна закрытай цвёрдай аснасткі. Злучальнае рэчыва нізкай глейкасці падаецца пад ціскам у прэс-форму, выцясняючы паветра ў бок дрэнажных каналаў да таго часу, пакуль форма не будзе запоўненая. Прэс-формы для гэтай тэхналогіі, як правіла, вырабляюцца з металу з нізкім КЛТР. Гэта тэхналогія добра падыходзіць для дробнасерыйнай і сярэднесерыйнай вытворчасці, ад 500 да 2 0000^{[удакладніць]} вырабаў у год.
• LFI. Тэхналогія LFI (Long Fiber Injection — доўгавалаконная інжэкцыя) была распрацавана нямецкай фірмай Krauss Maffei ў 1995 годзе. Характарыстыка вытворчасці: інжэкцыя доўгага валакна, працэс выкарыстоўваецца для вытворчасці кампанентаў інтэр’еру і экстэр’еру аўтамабіляў, канструкцыя якіх мае складаную форму, буйныя габарыты і афарбаваную паверхню класа А. У гэтым працэсе сечанае валакно з асембляванага ровінга напыляюць у форму (матрыцу) з кантраляванай тэмпературай. У гэты ж час змешваецца вадкі ізацыянат і паліёл, падаецца сумесна з сечаным валакном у матрыцу. Усе гэтыя кампаненты напыляюцца ў форму (матрыцу), форма змыкаецца і запаўняецца шляхам пашырэння поліўрэтанавай пены ў выніку хімічнай рэакцыі ўведзеных кампанентаў. Праз некалькі хвілін палімерызацыя скончана, і выраб можа быць выняты з матрыцы.
• SMC/BMC. Матэрыял наразаецца, у адпаведнасці са схемай раскрою, і пераносіцца ў прэс-форму, нагрэтую да працоўнай тэмпературы. Прэс-форма змыкаецца, у выніку чаго пад ціскам матэрыял расцякаецца ў паражніны формы і ацвярджаецца. У канцы цыклу выраб здабываецца з прэс-формы, і выконваецца яго канчатковая механічная апрацоўка і афарбоўка (калі гэта неабходна).

Трубы і іншыя цыліндрычныя вырабы вырабляюць намотваннем. Форма валакна: нітка, стужка, тканіна. Смала: эпаксідная або поліэфірная. Магчымы выраб формаў з вугляпластыку ў хатніх умовах, пры наяўнасці вопыту і абсталявання.

Вугляпластыкавая падстаўка пад каву.

Прымяненне

Вугляпластыкі шырока выкарыстоўваюцца пры вырабе лёгкіх, але трывалых дэталяў, замяняючы сабой металы, у многіх вырабах ад частак касмічных караблёў да вудаў, сярод якіх:

Вугляпластыкавы неваляшка

• ракетна-касмічная тэхніка;
• авіятэхніка (самалётабудаванне, верталётабудаванне — напрыклад, апорныя вінты);
• суднабудаванне (караблі, спартовае суднабудаванне);
• аўтамабілебудаванне (спартыўныя аўтамабілі — напрыклад, бамперы, парогі, дзверы, вечка капотаў; матацыклы, прататыпы MotoGP, баліды Формулы 1 — кокпіты і абцякальнікі, а таксама пры афармленні салонаў);
• навука і даследаванні;
• узмацненне жалезабетонных канструкцый;
• спартыўны інвентар (ролікавыя канькі, ровары, футбольныя буцы, хакейныя клюшкі, лыжы, лыжныя палкі і чаравікі, ракеткі для тэніса, падставы для настольнага тэніса, ляза канькоў, стрэлы, абсталяванне віндсерфінгу, моналасты, вёслы);
• медыцынская тэхніка;
• пратэзабудаванне;
• рыбалоўныя снасці (вуды);
• прафесійныя фота- і відэаштатывы;
• бытавая тэхніка (аздабленне карпусоў тэлефонаў, ноўтбукаў, рукаяці складаных нажоў і інш.);
• мадэлізм;
• музычныя інструменты (струны);
• выраб індывідуальных супінатараў (асабліва для спорту);
• інструменты для рукадзелля (вязальныя спіцы);
• карбон слаба паглынае рэнтгенаўскае выпраменьванне, таму з яго вырабляюць акенцы рэнтгенаўскіх і шырокадыяпазонных гама-дэтэктараў (праз якія выпраменьванне пранікае ў дэтэктар).

Палімеры, узмоцненыя вугляроднымі нанатрубкамі (CNRP)

Вугляродныя нанатрубкі як аснова вугляпластыку ў некалькі разоў больш трывалыя і гнуткія за гуму і нават лягчэйшыя за O₂. Матэрыял моцна адрозніваецца ад звычайнага вугляроднага валакна. Такі тып вугляпластыку ўжыты, у прыватнасці, у канструкцыі самалёта Lockheed Martin F-35 Lightning II.

Літаратура

• Справочник Дж. Любина «Композиционные материалы», М., 1988. (руск.)