Углерод-углеродные материалы

Углеродные материалы

Углерод-углеродный композиционный материал (УКМ) типа КИМФ на основе плетеного каркаса ортогональной трехмерной структуры из углеродного волокна и пироуглеродной матрицы. Материал обладает уникальными прочностными свойствами, высокой ударной вязкостью.

Трибологические и абляционные характеристики композита позволяют использовать его в качестве высокопрочных антифрикционных материалов и в качестве защитных материалов для космической техники.

Наряду с традиционным применением УКМ в специальных областях таких как ракетно-космическая, авиационная атомная знергетика материал успешно применяется для изготовления различных элементов фурнитуры высокотемпературных печей, нагревателей, тиглей, форм для разливки цветных металлов и других фасонных изделий.

Физико-механические показатели (средние значения):

№ п/пНаименование показателяЕдиница измеренияЗначение

1.	Объемная плотность материала	г/с    м³	1,78
2.	Разрушающее напряжении при сжатии	кгс/с    м²	1600
3.	Разрушающее напряжение при растяжении	кгс/с    м²	350
4.	Разрушающее напряжение при изгибе	кгс/с    м²	500
5.	Коэффициент теплопроводности, не более (при температуре 50oС)	ккал/м*час.град	7
6.	Удельное электросопротивление	Ом*м    м² /м	30
7.	Пористость материала	%	8,7
8.	Ударная вязкость	КДж/    м²	10

УГКМ

Новый углеволокнистый графитовый композиционный материал УГКМ. Изготавливается на основе пироуглеродной матрицы полученной в результате термоградиентного насыщения графитовой шихты с добавкой из измельченных углеродных волокон.

Материалы типа УГКМ являясь хемостойкими и термопрочными, сохраняют высокие физико-механические характеристики в инертной среде до температуры 32000С, обладает повьшенной газонепроницаемостью. Новые композиты отличаются повышенной ударной вязкостью.

Как конструкционные материалы общетехнического назначения, предлагаемые композиты применимы в изделиях новой техники химического машиностроения, автомобильной, тракторной, электротехнической промышленности, металлургии.

Рекомендуются для изготовления нагревательных элементов стержневой и профильной формы для электропечей, горячих прессформ при штамповке изделий, литейных форм, футеровочных плиток, арматуры термопар погружения, пар трения и других изделий. 

Полученный материал имеет следующие физико-механические показатели:

№ п/пНаименование показателяЕдиница измеренияЗначение

1.	Плотность не менее	г/с       м³	1,68
2.	Прочность на сжатие	МПа	125
3.	Прочность на изгиб	МПа	33,9
4.	Пористость	%	13,0
5.	Удельное электросопротивление	мкОм*м	18,0
6.	Температурный коэффициент линейного расширения	оК-1	4,5*10-6

Дискретные углеродные волокна

Дискретные углеродные волокна (измельченные волокна) представляют собой резаное волокно с длиной реза от 10±5 мм, либо измельченное волокно с размером фракции от 2 до 20 мм полученное при различных температурах обработки.

По отдельному заказу могут поставляться размолотые на шаровой мельнице волокна с размером фракции до 350 мкм. Плотность углеродного волокна составляет не менее 1.64 г/с     м³ . Дискретные волокна используются в качестве армирующих элементов в углерод-углеродных, керамических и полимерных композиционных материалах.

Широкий диапазон электропроводности углеродных волокон обусловленный различием температуры обработки позволяет их использовать в качестве наполнителей бумаг специального назначения.

Относительно небольшая плотность дискретных (измельченных) волокон, высокая температура эксплуатации, стойкость к термическому удару и стойкость к изнашиванию в различных атмосферных условиях позволяет их использовать во фрикционных материалах нового поколения.

Микроармирование огнеупоров дисперсными углеродными волокнами позволяет создать необходимый запас прочности, сохраняя целостность конструкции, обеспечивая дополнительный комплекс свойств композита: повышение долговечности, снижение усадочной деформации, повышение трешиностойкости и ударной вязкости.

Виды дискретных волокон:

№ п/пНаименованиеПлотность волокна г/с     м³ , не менееРазмеры фракций (длина реза)Количество и тип аппрета, не более

1.	Мелко резаное	1,64	5 — 20 мм	0,5% Алкамон ОС-2
2.	Измельченное	1,64	0,5 — 2 мм	0,1% ПВС
3.	Размолотое	1,64	до 650 мкм	0,1% ПВС

* — ПВС — поливиниловый спирт

Углеродное волокно (карбон) – строительный материал будущего

Композиты CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer) — современные облегчённые и прочные материалы. Этот вид композитов удачно применим для производства различных продуктов, используемых в повседневной жизни.

Полимерный композит карбона – это структура, армированная волокнами углерода, выступающего в качестве главного компонента.

Следует отметить: символ «Р» аббревиатуры CFRP допускает также расшифровку «пластик», а не только «полимер».

О композитных материалах будущего

Композиты CFRP, как правило, создаются с применением термореактивных смол:

• эпоксидная смола,
• полиэфирная смола,
• виниловый эфир.

Несмотря на тот факт, что термопластичные смолы используются в составе композитов CFRP, часто можно встретить несколько иную аббревиатуру, определяющую композит как CFRTP (Carbon Fiber Reinforced Thermoplastic Composites). В принципе, разница несущественная.

Тем не менее, при работе с композитами важно понимать все относимые к ним термины и аббревиатуры. Не менее важно понимать свойства композитов CFRP и все возможности участвующего в них силового компонента, коим является карбон.

Преимущества композитов CFRP

Композитные материалы, армированные углеродным волокном — карбоном, резко отличаются от обычных композитов, содержимое структуры которых характерно присутствием традиционных компонентов:

1. Стекловолокно.
2. Арамидное волокно.

Поэтому свойства композитов CFRP являются более предпочтительными для современных технологий производства.

Таким выглядит внешне строительный материал настоящего и будущего — углеродное волокно. Его также называют кратким, но ёмким словом — карбон

Так, если сравнивать композиты по весу, традиционный армированный стекловолокном композит, где используется непрерывное стекловолокно, состоящее на 70% из стекла, обычно имеет плотность 0,29 грамма на 25,4 мм3.

Между тем композит CFRP с тем же содержанием 70% карбона, имеет плотность 0,025 грамма на 25,4 мм3. Разница десятикратная.

Сравнение по характеристикам прочности также не оставляет шансов традиционным материалам. Композиты из углеродного волокна выигрывают не только по весу.

Этот вид материала значительно прочнее и жестче стекловолокна из расчёта на единицу веса. Остаётся лишь догадываться, какой будет разница, если сравнивать композиты из углеродного волокна с металлами.

Пока что карбон (углеродное полотно) достаточно активно применяется для производства отдельных деталей автомобилей высшего класса. На фото патрубок из карбона для мотора машины

Согласно исследованиям, при сравнении стали и CFRP, структура углеродного волокна с той же прочностью что у стали, будет весить в 5 раз меньше.

Этот момент приоткрывает очевидный интерес всемирно известных автомобильных компаний по отношению к технологиям с применением карбона вместо традиционной стали.

Если сравнивать композиты CFRP с алюминием, обладающим славой лёгкого металла, в объёмной составляющей алюминиевая структура с равной прочностью окажется в 1,5 раза тяжелее, нежели структура углеродного волокна.

Конечно, найдётся достаточное количество факторов, которые могут оказать влияние на отмеченные сравнения. К примеру, сорт и качество материалов способны изменить результаты. К тому же для композитов всегда важно учитывать производственный процесс, архитектуру волокон, качество.

Недостатки композитов CFRP

Композиты CFRP уникальные продукты, но есть серьёзная причина, заставляющая искать ответ на вопрос, отчего углеродное волокно активно не используется в гражданском строительстве.

Один из немногочисленных строительных проектов, где частично применялось углеродное волокно для создания экзотических форм. Но даже при малом внедрении материала эффект впечатляет

На текущий момент материалы CFRP остаются всё ещё сильно дорогостоящими. Правда, цена карбона нередко находится в прямой зависимости от конкретных факторов:

• рыночный спрос и предложения,
• виды углеродного волокна,
• размеры,

Сырьё углеродного волокна по цене за килограмм может варьироваться от 5-кратной до 25-кратной стоимости стекловолокна. А в случае сравнения продуктов из стали и композитов на основе CFRP, эта разница увеличивается ещё.

Таким образом, цена инновационного современного продукта является его первым главным недостатком. Второй недостаток карбона — электропроводимость. Углеродное волокно характеризуется как легко проводящее электрический ток.

Но этот недостаток сводится на нет, если отталкиваться от конкретной сферы применения. Для иных проектов электропроводимость углеродного волокна переходит из недостатка в преимущество.

Близкий родственник карбона — стекловолокно. Этот материал тоже обладает уникальными свойствами, но до углеродного волокна ему далеко. Единственное преимущество стекловолокна — свойства изолятора
Опять же, если сравнивать стекловолокно, этот продукт, напротив, характеризуется качественным изолятором. Именно поэтому многие технологии строятся на использовании стекловолокна.

Такие технологии невозможно перестроить на карбон или металл по причине наличия свойств высокой электропроводимости металла и углеродного волокна.

Карбон и перспективы развития

Углеродный волокнистый материал – карбон, обещает широкий диапазон применения, так как позволяет при различных плотностях формировать разные формы и размеры. На современном этапе традиционными формами карбона являются:

• трубчатая структура,
• тканая сетка,
• матерчатый лист.

Каждую из форм доступно изготовить на заказ в любом количестве составных частей, обрезков, кусков.

Пример отдельно взятого изделия на основе углеродного волокна — зеркало заднего вида автомобиля. Здесь не столько радует дизайн, сколько безвременный срок жизни аксессуара

Уже сейчас среди примеров применения углеродных волокон разных по качеству, можно встретить привычные для массового пользователя вещи:

1.  Автозапчасти дорогих машин.
2.  Велосипедные рамы.
3.  Удочки рыболовные и лодочные винты.
4.  Подошвы обуви.
5.  Бейсбольные биты.
6.  Защитные чехлы ноутбуков, смартфонов.

Карбон высокого качества применяется в сферах, где приоритетом являются новые технологии:

1. Аэронавтика и космическая отрасль.
2. Нефтегазовая промышленность.
3. Мостостроительная индустрия.
4. Строительная сфера.
5. Ветряная энергетика.

Тем не менее, широкого внедрения карбона пока что не наблюдается. Обусловлены ограничения, прежде всего, высокой себестоимостью процесса получения материала.

Сложности массового производства карбона требуют вливания значительных средств. Этим фактом обусловлен слабый интерес компаний к новому эффективному материалу.

Например, изготовление только лишь одного велосипеда из карбона обходится производителю, как минимум, в сто тысяч рублей.

Поэтому для автомобильной промышленности или массового строительства разного рода объектов, внедрение нового материала крайне ограничено.

Этот велосипед был сделан из материала с добавлением углеродного волокна. Точная себестоимость производства экземпляра неизвестна

Актуальный пример: более-менее массовое использование углеродного волокна в конструкциях спортивных экзотических автомобилей.

Правда, последние годы наметилась тенденция активного внедрения углеродно-волоконных материалов в мостостроительной сфере.

Пародия на углеродное волокно

На фоне удивительных свойств карбона традиционно активизировались любители выдавать желаемое за действительное.

Рынок наполнился предложениями относительно дешёвого углеродного волокна. Внешне продукт действительно похож на карбон, но только внешне.

Фактически, выдаваемые за карбон синтетические материалы являются обычным пластиком, внешне напоминающим углеродное волокно.

Такие изделия можно часто встретить среди компонентов компьютерной и другой бытовой техники.

На площадках некоторых интернет магазинов предлагается материал внешне похожий на углеродное волокно. На самом деле это обычное стекловолокно
Карбон легко перепутать с другим материалом – стекловолокном, и этим тоже пользуются недобросовестные продавцы рынка. Но стекловолокно, структурно усиленно нитями кварцевого стекла, а никак не углеродом.

Поэтому материалы из чистого карбона отличаются выраженной прочностью, в то время как материалам на основе стекловолокна присущи выраженные свойства гибкости.

Свойства карбона позволяют производить продукты без конкретных сроков долговечности. И в этом тоже существенное отличие.

Углебетон – производная углеродного волокна

Совсем недавно на строительном рынке случилась самая настоящая сенсация. Немецким инженерам удалось применить карбон в качестве арматурного элемента бетона.

Так получили новый строительный материал века – углебетон. Правда, чтобы получить конечный результат, немцам потребовались годы.

Лабораторные испытания строительного материала будущего — углебетона. В раствор обычного бетона внедряются нити углеродного волокна

Новый строительный материал логично сравнить с традиционным железобетоном. Только вместо привычной стальной арматуры здесь используется тканое углеродное волокно.

Технологию применения такого вида карбона немцы держат в секрете, озвучивают лишь поверхностную технику строительства:

1. Заливка первого слоя бетонного раствора.
2. Укладка слоя полотна из карбона.
3.  Заливка второго слоя бетонного раствора и т.д.

Таким способом получают заливную конструкцию нужной толщины и других размеров.

Применение карбонного полотна в сочетании с жидким бетоном – такая технология открывает небывалые возможности для создания строительных конструкций невообразимых форм.

При этом надёжность строений обещает быть на порядок выше традиционных – железобетонных.

Углеродные ламели: продолжение эпопеи карбона

Между тем наряду с карбонным полотном для бетона, на строительном рынке появилась ещё одна новинка – углеродные ламели.

Примерно так выглядит процесс усиления строительной конструкции, благодаря использованию ламелей из углеродного волокна

Пластинчатый материал, структурно представляющий углеродно-волоконный продукт. Основное предназначение углеродных ламелей:

• усиление старых несущих конструкций,
• восстановление и ремонт повреждённых участков,
• доработка несовершенных (ошибочных) строительных проектов,
• крепление разрушающихся строений.

Углеродным ламелям присущи свойства выраженной упругости при растяжениях. Этот строительные материал отличают высокие механические характеристики при его малом весе.

Пример удачного использования карбонных ламелей – укрепление мостовых опор. Производство их пока ещё остаётся дорогим, но в перспективе ситуация обещает измениться. Применять ламели из карбона на практике несложно:

1. Очистить рабочую поверхность.
2. Нанести специальный эпоксидный клей.
3. Наложить ламель на рабочий участок.
4. Плотно прокатить ламель по всей площади упругим валиком.

Через определённый промежуток времени структура ламели пропитывается эпоксидной смолой, застывает и превращается в монолитную крепкую основу. При желании поверх такой основы можно положить декоративный слой.

Начало массового производства углеродного волокна в России

При помощи материалов: ThoughtCo.

Применение углеродсодержащих материалов

Чистота углеродсодержащих материалов (зольность) считается одной из ключевых характеристик. Особо чистые используют в процессах химико-термического восстановления, в технологиях синтеза карбидов.

Углеродные материалы большей зольности находят применение в металлургической отрасли (сталелитейное производство). В процессе изготовления разных марок чугуна и стали применяют технологию так называемого науглероживания расплавов металлов, к примеру, в ковше.

Заключается она в доведении процентного содержания углерода в расплаве до заданных стандартом значений.

Легче всего это сделать с помощью добавления в состав расплавленного металла порошкообразного (гранулированного) науглероживателя. Для этого используют углеродсодержащие материалы необходимой марки. По составу зольного остатка они удовлетворяют следующим требованиям:

1. Низкое содержание серы ‒ вредной примеси, ухудшающей антикоррозионные, электротехнические, прочностные характеристики металла.
2. Предельно низкое содержание соединений азота ‒ вредной примеси, приводящей к появлению в выплавленной заготовке трещин и скрытых полостей.

Науглероживание расплава железа с помощью углеродсодержащих добавок считается одной из основных операций в технологии производства различных марок синтетического чугуна. Благодаря сыпучей консистенции и физико-химическим свойствам, науглероживатели быстро перемешиваются с расплавленным металлом, полностью и равномерно в нем растворяются.

Изготовление углеродсодержащих добавок

Для изготовления промышленных марок углеродных материалов с высоким содержанием химически чистого углерода и низким показателем зольности широко используют отходы графитового производства, а также вторичное сырье из графита, поставляемое из смежных промышленных отраслей (огарки электродов, доменных блоков, термических нагревателей; бой, отходы, стружка, отбраковка при производстве фасонных изделий из графита).

Современная технология переработки отходов и вторичного графитового сырья позволяет получать качественный высоколиквидный углеродсодержащий материал. При этом снижается себестоимость продукции графитового производства и сводятся к минимуму потери ценного сырья.

Свойства и преимущества

Науглероживатели из графитового сырья характеризуются высоким процентным содержанием чистого углерода. В их составе сведено к минимуму содержание нежелательных примесей. Гексагональная форма кристалла углерода в графите способствует лучшей его смачиваемости расплавом металла и ускоряет процесс растворения углеродсодержащего продукта. Другие существенные преимущества:

• продукт не взрывоопасен, химически устойчив и стабилен;
• не боится попадания влаги, контакта с кислотами и щелочами;
• удобен в хранении, фасовке, транспортировке;
• конкурентная стоимость в сравнении с науглероживателями других видов (из сажи, кокса, угля).

Применение графитовых углеродсодержащих материалов повышает эффективность сталелитейного производства, позволят выплавлять высококачественные марки стали и чугуна с заданными свойствами.

Возврат к списку



Заказать Справочник материалов