Углеродное волокно (УВ) – это волокнистый материал, изготовленный из тонких нитей (диаметр 5-15 мкм), содержащих более 95 % углерода. Другое название УВ – карбон.
Испытания углеродных волокон – определение характеристик на соответствие требованиям нормативных документов.
Получение карбонового волокна
Углеволокно получают путем преобразования полиакрилонитрила или вискозных волокон с целью повышения содержания углерода.
В настоящее время наибольшую популярность получили три способа изготовления УВ:
- Химическая осадка углерода на филамент (носитель);
- Выращивание волоконноподобных кристаллов в световой дуге;
- Построение органических волокон в автоклаве.
В промышленности чаще всего используется третий способ. Отмечается его дороговизна, но произведенный материал оправдывает затраты.
Для получения нитей волокна берется материал (прекурсор) полиакрилонитрил (PAN), который нагревают до 260 °С и окисляют. Затем полученный полуфабрикат снова нагревают (карбонизируют) в инертном газе при очень высоких температурах (до нескольких тысяч градусов Цельсия). Происходит процесс пиролиза – неуглеродные соединения исчезают, образуются новые связи частиц волокон. После этого волокна переплетают, добавляют эпоксидные смолы и выдерживают готовый материал в среде инертного газа (процесс графитирования).
Нетрудно представить энергоемкость и сложность получения углеволокна. Именно эти аспекты влияют на стоимость готового материала.
Характеристики углеродного волокна
УВ характеризуется множеством уникальных свойств. К основным характеристикам углеволокна относятся следующие.
Прочность. УВ выдерживает значительные нагрузки без деформации и разрушения. Прочность материала выше, чем у легированной стали.
Низкий удельный вес. Благодаря низкому весу УВ подходит для создания легких и одновременно прочных конструкций.
Химическая инертность. Материал не реагирует с большинством химически агрессивных соединений (кислоты, щелочи, соли). Обладает высокими антикоррозийными свойствами.
Термоустойчивость. УВ идеально выдерживает как высокие, так и низкие температуры, не реагирует на их перепады.
Углеродное волокно
Нельзя не отметить такие качества как низкий коэффициент трения, хорошая гибкость, малый коэффициент температурного расширения и долговечность эксплуатации.
Для примера в таблице приводятся физико-механические характеристики отечественного углеродного волокна марки UMT (см. табл. 1).
|
Наименование |
Прочность, ГПа |
Модуль упругости, ГПа |
Предельная деформация, % |
Линейная плотность, текс |
Объемная плотность, г/см³ |
|
Стандартный/средний модуль |
|||||
|
UMT40-3K-EP/VE |
4,0 |
260 |
1,5 |
190 |
1,77 |
|
UMT45-12K-EP/VE |
4,5 |
260 |
1,7 |
780 |
1,78 |
|
UMT49-12K-EP/VE |
4,9 |
260 |
1,8 |
760 |
1,78 |
|
UMT42-24K-EP/VE |
4,2 |
260 |
1,5 |
1530 |
1,78 |
|
UMT40-48K-EP/VE |
4,0 |
250 |
1,5 |
3100 |
1,78 |
|
UMT290-12K-EP |
4,4 |
290 |
1,4 |
730 |
1,74 |
|
Высокий модуль |
|||||
|
UMT400-12K-EP/VE |
4,5 |
400 |
1,0 |
720 |
1,82 |
|
UMT430-12K-EP/VE |
4,5 |
430 |
1,0 |
700 |
1,84 |
Таблица 1
Для справки: Волокно производит ООО «Алабуга-Волокно» (корпорация «Росатом», РФ).
Области применения УВ
Инновации в области материалов показали эффективность и востребованность углеродного волокна. Материал широко применяется там, где возникает острая необходимость в легких и одновременно прочных конструкциях, деталях.
Практически, он используется во всех технологичных областях.
Авиация. Из УВ изготовляют корпуса самолетов и вертолетов, им заменяют алюминиевые детали и элементы летательных аппаратов.
Автомобильная промышленность использует углеволокно при изготовлении элементов кузовов легковых автомобилей (капоты, бамперы, крылья, дверцы и др.). В спортивных автомобилях УВ применяется в тормозах, сцеплении. Из него делают корпуса болидов.
Судостроение. УВ является незаменимым материалом для конструкций, где требуются прочность, антикоррозийность, ударостойкость и легкость.
Строительство. Современное строительство активно использует углеволокно в конструкциях зданий и сооружений, усилении бетонных и кирпичных стен, фундаментов, перекрытий.
Материалы из углеволокна широко применяются в радиоэлектронике, энергетике, медицине, изготовлении спортивных и бытовых товаров.
Испытания УВ
Углеродные волокна подвергаются различным испытаниям для определения качества. Процесс каждого испытания имеет свой алгоритм его проведения. В качестве примера рассмотрим, как определяются прочность на растяжение и модуль упругости волокна в соответствии с требованиями ГОСТ Р ИСО 10618-2012.
При подготовке образцов элементарная нить пропитывается смолой и отверждается. Количества образцов должно хватать на проведение четырех испытаний.
Подготовленный образец фиксируются в захватах испытательной машины. Далее к нему прикладывается нагрузка до его разрыва.
Значения прилагаемой нагрузки, скорость активного захвата и др. параметры фиксируют КИП испытательной машины.
Далее, после остановки машины, математическим путем (с применением формул) рассчитывают предел прочности и модуль упругости при растяжении. Одновременно рассчитывается значения линейной плотности (по ГОСТ Р ИСО 10119-2012) и деформации при максимальной нагрузке на образец.
По завершении обработки полученных результатов составляется протокол испытаний.
Подробные требования к проведению испытаний УВ изложены в соответствующих стандартах, например:
- ГОСТ Р 57407-2017 «Волокна углеродные. Общие технические требования и методы испытаний»;
- ГОСТ Р ИСО 10618-2012 «Волокно углеродное. Метод определения механических свойств пропитанных смолой нитей при растяжении»;
- ГОСТ Р ИСО 13931-2015 «Волокно углеродное. Методы определения удельного объемного сопротивления»;
- ГОСТ 33598-2015 «Волокно углеродное. Определение термоокислительного сопротивления углеродных волокон»;
- ГОСТ 12423-2013 «Пластмассы. Условия кондиционирования и испытания образцов (проб)»;
- ГОСТ 33599-2015 «Волокно углеродное. Определение плотности высокомодульных углеродных волокон»;
- ГОСТ Р ИСО 10548-2012 «Волокно углеродное. Методы определения содержания аппрета».
