[@Менеджер сайта]

Автор: Тревор Андерсон (Trevor Anderson)
Дата: 14 сентября, 2015г.

Ах, этот карбон! Это черное волокно с шелковистой поверхностью. Уложенный на поверхности со сложной геометрией, этот соблазнительный материал является предметом вожделения и фетишем многих продвинутых поклонников гоночных каров. Карбон – это не просто показной блеск, имитирующий виниловую «обертку» или текстурное покрытие деталей из ABS пластмассы. Вовсе нет. Это высокотехнологичный материал, имеющий конкретные качества, способы применения, недостатки и характеристики. Если речь заходит о карбоне, мы неизменно говорим об экономии веса, о прочности, жесткости и эстетике. И хотя все эти факторы имеют место быть, существует много заблуждений об этом шелковистом на ощупь и простейшем по своему составу материале.

Техническая составляющая любых разговоров о композитных материалах представляет собой огромное «поле», в котором непрерывно ведутся научные исследования и постоянно совершаются различные открытия. Мы собираемся затронуть всего лишь некоторые основы и, надеемся, сможем пополнить ваш запас знаний об этой удивительной технической ткани.


Что такое карбон?

Карбон – это техническая ткань, состоящая из тысяч переплетенных между собой углеродных волокон, образующих ту самую ткань. Карбон выпускается в виде тканей с самыми разнообразными переплетениями в зависимости от целевого применения и является всего лишь одной частью конструкционных материалов, включающих в себя много частей, которые известны всем, как композитные материалы. Композиты производятся из составляющих, которые объединяют в себе качества разных материалов, а целью является отсутствие жесткости или получение прочности. В случае с карбоном, стекловолокном, Кевларом или другими аналогичными тканями, композитный материал, о котором идет речь, носит название «FRP» (Fiber Reinforced Polymer – полимер, армированный волокнами). В производстве такого полимера ткань используется для того, чтобы «усилить» конструкционную жесткость смолистого подслоя. Смола обеспечивает прочность композита, а карбон добавляет структурную целостность пластику, который в ином случае будет хрупким.


Как производится карбон?

Карбон (углеволокно), как видно из его названия, это ткань, состоящая только из угля и не имеющая иных элементов в своем составе. Но начинать производство просто с карбона и с создания ткани с переплетениями волокон было бы настоящим, но труднодостижимым, подвигом. Вместо использования карбона в качестве сырья, заводы по производству текстиля начинают с пластмасс с более сложным молекулярным составом, где толщина нити меньше толщины человеческого волоса. Затем требуется выполнить ряд определенных действий, начиная от термообработки и заканчивая химической обработкой. Окончательным результатом этих сложных процессов является доводка состава полимерных материалов до его самой эмпирической формы – формы чистого карбона.

Карбон часто замеряется и продается с ориентиром на несколько критериев, на тип плетения волокон, на абсолютные значения (измерение прочности отдельно взятого волокна) и вес ткани. Все замеры идут в унциях на квадратный ярд, плюс указывается количество волокон (обычно в диапазоне от 3 000 до 12 000 волокон).


Какие существуют типы переплетения?

Однонаправленное плетение:



Однонаправленное плетение подразумевает направление всех карбоновых жгутов (волокон) в одном и том же направлении. Плетение в этом стиле не является видимым невооруженному глазу. Поскольку плетение, как таковое, отсутствует, нити волокна необходимо как-то удерживать вместе. И в этом случае необходимо протягивать другую нить по диагонали или перпендикулярно так, чтобы ткань оставалась гладкой и равномерной (и этот элемент плетения не является конструкционным). В результате того, что жесткость ткани обеспечивается только в одном направлении, такой тип плетения редко применяется в автоспорте, где нагрузка может идти в любом направлении.

Двунаправленное плетение волокон:



Карбон двунаправленного плетения – это базовый и наиболее часто встречающийся тип переплетения волокна. Жгуты переплетаются друг с другом под требуемым углом, за счет чего ткань получает структуру типа «шахматная доска», где нити полотна прокладываются боком и по вертикали. В этом случае все волокна направлены таким образом, чтобы нагрузка могла налагаться в любом направлении, при этом композитный материал должен сохранять свою прочность.

Плетение по диагонали в две через две нити



Плетение по диагонали в две через две нити – это самый распространенный тип плетения карбона, который повсеместно применяется в автоспорте. Это плетение немного сложнее по сравнению с двунаправленным волокном, поскольку две нити проходят над другими двумя нитями, либо одна над двумя или две над одной. В результате такого переплетения нитей на ткани создается рисунок «елочка». Из-за того, что плетение две через две нити по диагонали идет как с вертикальными, так и с горизонтальными нитями (нить основы и уток), ткань становится очень гибкой и может принимать различные сложные формы. При работе с карбоном этого типа плетения не требуется выполнять такие работы, как «пакетирование», «растягивание» или резка.

Плетение по диагонали в четыре через четыре нити



Аналогично плетению по диагонали в две через две нити, а именно в четыре через четыре нити, этот тип относится к двустороннему переплетению по диагонали, где один жгут включает в себя четыре нити. В результате ткань не настолько плотная по сравнению с плетением в две через две нити, но в случае с изогнутыми поверхностями достигается лучший коэффициент покрытия, поскольку между фактическими точками переплетения «над и под» расстояние больше, что эффективнее, поскольку в этом случае достигается меньшее количество жестких швов. Благодаря этому покрытие карбоном изогнутых литых форм становится простым.

Прорезиненное переплетение


http://www.easycomposites.co.uk/

Прорезиненная карбоновая ткань – это очень специфический способ изготовления ткани, который встречается намного реже по сравнению со всеми типами плетения, которые мы обсуждаем. Прорезиненное плетение волокон означает, что каждая прядь состоит от 3000 до 12000 нитей, при этом каждая нить выкладывается плотно в ряд, одна за другой, образуя тончайшую карбоновую ленту. Стандартные пряди соединяются вместе посредством нескольких слоев карбоновых нитей. Прорезиненную ткань можно определить за счет наличия широких открытых участков. За счет шахматного порядка двунаправленного карбонового волокна со структурой прорезиненной ткани образуются квадратные участки размером один дюйм.

Слоистый карбонопласт Фото: «Rockwest Composites»

Карбон так же доступен в форме слоистого карбонопласта с предварительной обработкой. Если вам нужен блок, пластина, труба или другая форма, вы можете приобрести слоистый карбонопласт, изготовленный заводским способом. Слоистые композиты могут включать в себя разнообразные материалы, а не только карбон: например, Кевлар, металлы, металлические или полимерные пены, сотопласты и т.д. Слоистые блоки могут проходить механообработку, чтобы получить в итоге цельные детали из композитных материалов, внешне напоминающих слоистый песчаник.

Поскольку за счет крупного размера этих участков переплетения ткань теряет в своей плотности, точки плетения «над и под» находятся на большом расстоянии друг от друга. Итак, точки пересечения нитей находятся на расстоянии друг от друга, частота изменения направления сильно снижена, и ткань может намного плотнее прилегать к поверхности.

Как было описано на сайте Easy Composites, английском поставщике материалов и полимеров, «прорезиненные ткани набирают свою популярность в сфере применения высокотехнологичных композитов благодаря своему невероятно плоскому профилю, который практически исключает так называемый «копир-эффект» и эффект проявления определенной текстуры на поверхностях, требующих идеальной гладкости (например, крылья самолета).

Поскольку слой ткани намного тоньше, можно накладывать слой поверх другого слоя и тем самым достичь необходимых прочностных характеристик. Этот тип карбона часто используется в тех сферах, где аэродинамические характеристики преобладают над прочностными. Прорезиненная ткань имеет внешний вид, отличный от стандартного, который сразу вызывает или любовь, или ненависть.


Различные смолы



Карбоновая ткань является только одной составляющей композитного материала, на который ссылаются, когда говорят об автоспорте и гонках на треках. Другим важным компонентом является смола, которая обогащает саму ткань и придает ей фактическую жесткость. Смолы применяются в различных полимерных «блюдах». Два наиболее часто используемых материала - это эпоксидная смола и полиэфирная смола. Любой, кто когда-либо работал со стекловолокном, чтобы просто починить хоть свою доску для серфинга, хоть деталь от автомобиля, знает, что эта смола может оказаться самой настоящей проблемой. Летучие органические соединения (ЛОС) – это пары, которые являются отличительной чертой многих вид смол, хотя в свободном доступе есть и такие, в которых эти химические составляющие, способные повредить ваш мозг, не применяются. Практически всем известен обратный эффект работы со смолой, когда надлежащие средства индивидуальной защиты не используются, но при этом развивается гиперчувствительность и аллергия. И эти случаи стали уже настолько привычными, что мы часто слышим анекдоты про людей, не способных находиться в помещении, в котором идет работа со смолой.

Эпоксидная смола



Эпоксидная смола – это самая распространенная многоцелевая структурная смола. Как и в случае с практически всеми типами смол, это двухкомпонентный раствор из смолы и катализатора. Время реакции варьируется, но при этом напрямую зависит от условий окружающей среды. Срок годности (рабочее время), в основном, составляет от пяти до тридцати минут. В общем, тепловое воздействие всегда ускоряет процесс «созревания», но весь процесс схватывания обычно занимает, ни много, ни мало, а целые сутки (24 часа) – если на смесь никак не воздействовать. По сравнению с полиэфирной смолой эпоксидная смола отличается более высокой прочностью, но требует терпения при работе с ней.

Полиэфирная смола

Полиэфирная смола – это более дешевая альтернатива эпоксидной смоле, с быстрым временем схватывания. В основном, она используется в тех ситуациях, когда структурная целостность уступает эстетической стороне вопроса, как утверждают специалисты с сайта easycomposites.co.uk: «Тем не менее, существуют ситуации, в которых многослойная структура имеет наименьшее значение, а такие свойства, как внешний вид, стойкость к УФ излучению и цена, стоят на первом месте по своей значимости».

Препреги (ткани с предварительной пропиткой)


http://www.easycomposites.co.uk/

Некоторые ткани из карбона могут выпускаться, как предварительно пропитанные раствором смолы, где катализатором выступает термообработка. Препреги используются во многих промышленных сферах, занятых производством композитов, поскольку их применение не требует выполнения каких-то сложных процессов, а при непосредственной работе беспорядок сведен к минимуму: нужно всего лишь смешать смолы и уложить влажную ткань слоями.


http://www.easycomposites.co.uk/

Препреги также являются предпочтительным материалом в тех сферах промышленности, где вес играет важную роль. К таким сферам относится авиация, где большая часть от массы деталей приходится на смолу, а не на ткань. С учетом того минимума, который нужен для тщательной и равномерной пропитки ткани смолой, препрег может применяться для создания самой прочной и легковесной конструкции.


Производственные процессы


Для достижения фактурности используется обычная малярная кисть, с помощью которой смола наносится на ткань внутри формы.

Влажные выкладки

Традиционно небольшие детали выкладываются во влажном состоянии, вместе с вогнутой формой, затем создается пробка (но это уже другая история). Сухая ткань размещается внутри формы. Смола наносится малярной кистью до тех пор, пока ткань не будет ей насквозь пропитана или насыщена. Следующие слои ткани кладутся поверх первого слоя, при этом нужно соблюдать направление плетения: 45 градусов для двунаправленного плетения и 90 градусов для ткани с саржевым переплетением. Если слои ткани не совпадают по направлениям, на выходе деталь потеряет свою жесткость по одной оси, а по другой будет слишком усилена.


Формовка с помощью вакуумного мешка помогает удалять воздушные пузырьки и излишки смолы с поверхности композитных деталей.

Уложив, таким образом, столько слоев ткани, сколько необходимо для получения нужной толщины, излишек смолы соскребается с помощью скребка так, будто вы убираете воду со своего ветрового стекла. Затем деталь подвергается обработке в вакуумном мешке под низким давлением. В результате смола заполняет все оставшиеся воздушные пустоты, вытесняя тем самым мельчайшие воздушные пузырьки, а излишки смолы уходят.


Автоклавы – это духовки, внутри которых происходит затвердевание деталей из композитных материалов.

В некоторых случаях все эти манипуляции выполняются в обратном порядке. Сухая ткань подвергается обработке в вакуумном мешке в форме, и только затем наносится смола. Благодаря этому методу отходы и грязь отсутствуют. На финальном этапе проходит термообработка. Все детали «запекаются» внутри духовки под давлением, так называемом автоклаве, и смола полностью схватывается.

Хотя большинство не имеет доступа к специализированному оборудованию, такие процедуры, как обработка в вакуумном мешке и запекание в автоклаве являются факультативными для рабочих деталей, структура которых не должна отвечать специфическим требованиям.


Сферы применения

Карбон набрал свою силу в автомобильной сфере промышленности. На вторичном рынке карбон – это материал, который чаще всего используется для покрытия деталей. Кузовные детали, детали для внутренней отделки салона – и все это выполнено из карбона, который обеспечивает автомобилю внешний вид высочайшего класса. Функционально детали из карбона применяются практически во всех сферах – начиная от автомобильной промышленности, продолжая судостроением и заканчивая авиацией.



Карбон используется в постройке гоночных кресел, карданных валов, таких защитных приспособлений, как шлемы и средства пассивной безопасности (подголовники), и даже технология производства составных пружин начинает применять карбон для систем подвесок.


Карбон также служит для покрытия труб, обеспечивая тем самым необходимую прочность на разрыв.


Карбон – это не панацея

Привлекательность карбона настолько высока для многих, что сегодня существует тенденция неверного использования этого материала в тех сферах, где наилучшим решением до сих пор является металлический сплав. Карбон, а особенно смола, плохо переносят работу в высокотемпературной среде, с теплозащитой, с компонентами выхлопной системы или любыми другими деталями двигателя. Когда в этих случаях карбон выбирается в качестве исходного материала, следует очень тщательно проводить оценку рабочих условий. Существуют жаропрочные смолы, но сфера их применения до сих пор имеет свои ограничения.


Слабым местом любых композитов являются повреждения при ударе.

Сопротивление удару

Карбон может похвастаться тем, что эта (уже ставшая крылатой) фраза полностью отвечает его сущности: чем легче алюминий, тем прочнее сталь. Хотя это действительно правда, важно понимать, что речь идет о прочности на разрыв, а не об ударной вязкости или жесткости. С инженерной точки зрения «ударная вязкость» - это технический термин, который говорит об износостойкости, поскольку этот композит является армированным слоистым полиэстером, сопротивление удару которого - низкое. И даже слабый точечный удар может привести к отслаиванию и, в кончено итоге, выходу материла из строя. По этой причине карбон не может применяться для создания износостойких или многоразовых опорных плит седельно-сцепного устройства удовлетворительного качества, для производства различных компонентов подвески или любых других деталей, которые эксплуатируются в условиях максимальной нагрузки.

Проводимость

Карбон является проводимым материалом! Чистый карбон чрезвычайно эффективно передает тепло сам по себе. Например, капот автомобиля, выполненный из карбона, может очень быстро нагреваться на солнце до нескольких сот градусов. Ультрафиолетовые лучи могут повредить композит: придать ему желтый оттенок или стать причиной растрескивания смолы, поэтому деформация является распространенным дефектом. В авиации многие запчасти из карбона покрываются глянцевой белой краской, поскольку тепло, образующееся от воздействия УФ лучей, может деформировать раму, оказать негативное воздействие на аэродинамические характеристики. Кроме того, УФ лучи могут как-то иначе изменить структуру самолета.

Карбон – это еще и электропроводящий материал. Возможно, вас смутит то, каким же образом композит на основе пластмассы может вдруг стать электропроводящим, но ткань из чистого карбона «прокладывает» своеобразный путь электричеству, даже если карбон обогащен изоляционным полимером. Когда карбон выбирается в качестве поверхности для электроники или в качестве кожуха охлаждающего вентилятора, убедитесь в наличии заземления, которое не должно «проходить» через карбон. Анекдот из жизни: мы как-то были свидетелями чуть не начавшегося возгорания в двигателе владельца грузовика Geiser Trophy, поскольку он просто-напросто не верил, что карбон является проводимым материалом, а возгорание смолы – это вам не шутки.


Ткань из карбона является электропроводящим материалом. Фото любезно предоставлено SAE.


Работа с карбоном

Если стекловолокно когда-нибудь попадало вам на кожу, то вы знаете, как сильно раздражают эти невидимые глазу частички. А карбон гораздо хуже! Избегайте прикасаться голыми руками к рваным краям карбона и к рубленому волокну.


Запрещено сгибать ткань из карбона, хранить его можно только в рулонах.

При заказе ткани из карбона важно убедиться, что он поставляется в рулонах, как оберточная бумага. Карбон, упакованный «сложениями», будет иметь загибы и, в результате, конструкционная целостность его загнутых волокон будет нарушена. Соблюдайте эти инструкции при работе с материалом, и храните ткань в чистоте во избежание появления пыли и жирных отпечатков пальцев, обеспечивая при этом максимально правильную укладку. Смешивать смолу необходимо в небольших емкостях, что является нормой. Будьте внимательны, смолу нельзя смешивать в емкостях, покрытых воском. Воск вступает в реакцию со смолами, в результате чего смола затвердевает. Затвердевание смолы – это экзотермическая реакция, что значит нагнетание тепла в качестве побочного продукта в результате химической реакции. Смешивая большое количество смолы, убедитесь, что ее излишки находятся вне зоны хранения горючих материалов, иначе существует высокий риск возникновения пожара.


Заключение

Объем базовых знаний, которые мы даже не затронули в этой статье, просто огромен. Но мы надеемся, что этот общий обзор помог вам лучше представить себе, что такое карбон. Это крайне универсальный и прочный материал, если с ним обращаться с умом. Но если его использовать неверно, он становится самым настоящим бельмом на глазу. Создание простых деталей в домашних условиях не представляет собою никаких сложностей, но приготовьтесь выделить немного больше времени на работу с ним по сравнению со стекловолокном. Учитывайте в своем проекте все – цели, бюджет. И только потом принимайте решение, является ли карбон правильным выбором или вам просто хочется добавить эстетики своему автомобилю?


Цветной кевлар и карбон – это один из способов «приодеть» композитные детали собственного производства.


Перейти на сайт журнала REVVED.