Углеродное волокно и его применение. Углеволокно — материал будущего в строительстве. Что такое кевлар и какие у него свойства

Для тех, кто никогда в жизни не видел ткацкого производства, экскурсия в этот небольшой цех могла бы, наверно, быть интересной и информативной. Для остальных — ничего особенного: шпулярник с большим количеством катушек, ткацкий станок — вот, собственно, и все. С той лишь разницей, что ткут здесь совсем необычные ткани. Из них не будут шить одежду, они не пойдут на палатки или декоративную драпировку. Вскоре этим тканям предстоит утратить гибкость и стать основой легких, порой изящных и обязательно нечеловечески прочных деталей. Ткацкий цех предприятия «Препрег-СКМ», обосновавшегося в одном из корпусов бывшего завода-гиганта АЗЛК, — это, пожалуй, самая середина производственного процесса, в ходе которого создается тот самый знаменитый карбон, или углепластик. Вместо шерстяных или хлопковых нитей к станку тянутся нити углеволокна — они могут быть толще или тоньше, да и ткань выходит с разными узорами плетения. Для чего такое разнообразие?

Чтоб было как в СССР

«Мы делаем ткани различных номиналов, разных плотностей и структур плетения — все в конечном итоге зависит от того, в каких углепластиковых деталях эти ткани будут использоваться, — объясняет «ПМ» Андрей Антонов, руководитель испытательной лаборатории предприятия.- Для использования в высоконагруженных конструкциях, например в авиации или судостроении, большей частью применяются однонаправленные материалы, где волокно в основном расположено в одном направлении. Там есть небольшое количество поперечных нитей (для скрепления всей ленты), но их процент очень невелик, менее 10%. Особенность таких тканей заключается в том, что они реализуют свои прочностные характеристики точно по линии, вдоль которой лежит волокно. Будущая карбоновая деталь будет состоять из десятков, возможно даже сотен слоев ткани. Если мы знаем, по каким направлениям на деталь будет оказываться наибольшее силовое воздействие, мы имеем возможность расположить ткань именно так, чтобы волокна большей части слоев также легли бы вдоль этих векторов. Это открывает широчайшие возможности для моделирования детали, для задания ей уникальных прочностных свойств».

В цеху также ткутся так называемые равнопрочные материалы, где процент нитей в основе и в поперечном направлении примерно одинаков. В виде углепластика эти ткани применяются как для армирования, так и для создания деталей, не испытывающих чрезмерных силовых нагрузок, зато имеющих более эстетичный вид. Речь идет, например, об углепластиковых деталях для тюнинговых автомобилей, протезах или спортивном инвентаре.

В ткацком цеху по стенам расставлено множество картонных коробок, где хранятся катушки с углеволокном. На одном ящике клеймо завода «Аргон» в Балаково, другой приехал из далекого Тайваня, третий родом из Турции. С заводом «Аргон» понятно: наряду с московским «Препрег-СКМ» он входит в созданный всего лишь в 2009 году холдинг «Композит», объединивший под своим управлением несколько предприятий по производству композитных материалов и имеющий своей задачей развитие в стране композитных технологий. Но почему Турция и Тайвань?

«Мы выпускаем разностороннюю продукцию для разных применений, и, к сожалению, на сегодня наша отечественная промышленность пока не обеспечивает все потребности рынка в углеродных материалах. Приходится использовать в том числе и импортное волокно, — говорит Андрей Антонов. — 30 лет назад в СССР активно работали над технологиями производства углепластиков, внедряли их в авиации, атомной промышленности и других отраслях. Были основаны НИИ «Графит», завод «Аргон». В те времена мы ничуть не отставали от зарубежных фирм, но перестройка и постперестроечная эпоха принесли с собой проблемы с финансированием. К счастью, мощности завода «Аргон» сохранились, но по технологиям мы сильно отстали от западных, а особенно — от японских компаний. Теперь в рамках холдинга «Композит» ставится задача наверстать упущенное».

Химическая паутина

Чтобы понять, где в черных нитях прячется тот самый хайтек, секреты которого ведущие производители углеволокна хранят как зеницу ока, мы отправились в соседний цех. Там находится лаборатория с оборудованием для производства ПАН-волокон — полупродуктов для изготовления углеволокна. ПАН — это полиакрилнитрил, полимер, получаемый из нефти путем оргсинтеза. ПАН-волокно используется не только в композитной промышленности — из него делают, например, синтетические ковры. Но далеко не каждый производитель таких волокон способен придать им необходимое качество для последующей переработки в углеволокно. Более того, ведущие компании-производители композитных материалов предпочитают делать ПАН-волокно сами для себя, не демонстрируя потенциальным конкурентам даже образцы. Поэтому здесь, в лаборатории научно-исследовательского центра холдинга «Композит», молодые российские ученые пытаются усовершенствовать имеющиеся технологии производства ПАН-волокон и самостоятельно довести их до уровня мировых стандартов, чтобы затем внедрить на предприятиях холдинга.

«Вскоре здесь появится полноценный НИЦ, в котором мы будем изучать и совершенствовать все этапы технологического процесса — от синтеза полимеров до переработки волокон в углеволокно», — говорит Денис Фокин, инженер-исследователь.

Процесс начинается с приготовления полимерного раствора, в котором присутствует полиакрилнитрил, а в качестве растворителя используется диметилсульфоксид (ДМСО). Вязкий прядильный раствор янтарного цвета отфильтровывается с удалением частиц меньше микрона, обезвоздушивается и с помощью шестеренчатого насоса подается в фильеру- экструдер, или, можно сказать, сито с отверстиями диаметром 60−70 мкм. Тончайшие филаменты, или элементарные волокна, попадают в осадительную ванну, где осаждаются с помощью воды. На приемный ролик подается жгутик, состоящий из тысяч филаментов (их число в жгуте может варьироваться от 12 000 до 64 000). Далее его путь лежит в ванну пластификационной вытяжки. Здесь ПАН-волокно вытягивается, приобретая большую прочность за счет ориентации макромолекул. Следующие производственные этапы— промывка (необходимо избавиться от остатков растворителя, который впоследствии помешает получению качественного углеволокна), обработка текстильно-вспомогательными веществами (замасливатели и антистатики нужны, чтобы нить дополнительно не травмировалась при трении и не накапливался статический заряд), далее волокно может подвергаться дополнительной термовытяжке или термофиксации в потоке горячего воздуха. На каждом этапе производства ПАН-волокна присутствуют свои технологические тонкости, без учета которых невозможно получить продукт, удовлетворяющий всем требованиям, предъявляемым к прекурсору (полупродукту). «В нашей стране развитием данных технологий долгое время уделялось мало внимания, — говорит Денис Фокин. — Так, например, на наших предприятиях используется неорганический растворитель — роданистый натрий, в то время как ведущие компании наряду с роданистым натрием широко применяют органические растворители. В настоящее время в нашей компании активно разрабатываются технологии получения ПАН-волокна с использованием органического растворителя ДМСО (диметилсульфоксид), что в перспективе позволит нам выйти на более высокий технологический уровень».

Жар, алмаз и смола

Не менее важны технологические тонкости и на следующем этапе композитного производства — при создании собственно углеволокна. Смысл этого процесса заключается в том, чтобы после обработки в ПАН-волокнах остался минимум примесей, а количество углерода составляло бы 99%. Производство углеволокна включает три основных этапа, каждый из которых связан с воздействием на волокно высоких температур. Первый этап — окисление (при температуре 250°С), второй — карбонизация, в результате которой при температуре около 1500 градусов в волокне образуются графитоподобные структуры, третий — графитизация (при температуре до 3000 градусов из волокон выводятся почти все оставшиеся примеси). В волокне образуются межатомные связи, приближающиеся к кристаллической структуре алмаза, что придает волокну (по направлению вдоль) невероятную прочность. «Наиболее дорогими видами углеволокна считаются очень прочные тонкие нити, состоящие всего из нескольких тысяч филаментов, — говорит Андрей Антонов. — К тонким нитям больше требований при изготовлении. С толстыми жгутами работать легче, и выход больше, но из-за особенностей технологии эти нити не такие прочные».

Итак, готовые углеволокна оказываются в ткацком цеху, однако между тканью и карбоновой деталью стоит еще один этап — предварительной пропитки, или изготовления «препрега» (от англ. prepreg — pre-impregnated, «предварительно пропитанный»).

Интересно, что препреги могут делаться как на основе тканей, так и на основе отдельных волокон, которые укладываются рядом (возможно, с легким нахлестом). Получается нечто вроде однонаправленной ткани, только без поперечных волокон — материал скрепляет связующее вещество на основе эпоксидных смол. И в случае с тканью, и в случае с отдельными волокнами технология создания препрега примерно одинакова — материал из углеволокна выкладывается на лист бумаги, покрытый связующим веществом. Сверху наносится другой слой связующего, поверх которого укладывается еще один бумажный лист. Этот «сэндвич» прокатывается через обогреваемые каландры (систему валиков), которые, подобно асфальтовому катку, придают материалу нужную толщину и плотность. Бумага затем удаляется.

Препрег — готовое сырье для выкладки детали, которая будет состоять из множества слоев пропитанной смолами ткани и подвергнется запеканию в автоклаве. Однако специфика производства заключается в том, что этот финальный этап выполняется не специализированной компанией, производящей композиты, а самим производителем самолетов, кораблей, автомобилей и т. д. «Именно поэтому компаниям, привыкшим работать с металлами, особенно в авиации, порой бывает очень сложно перейти на композиционные материалы, — говорит Андрей Антонов. — Сейчас мы организовываем инжиниринговый центр, который предназначен именно для того, чтобы повышать уровень образованности инженеров этих компаний, помогать с расчетами и проектированием. Надеемся, что это поможет распространению композитных технологий в России».

Атомы углерода объединены в микроскопические кристаллы, выровненные параллельно друг другу. Выравнивание кристаллов придает волокну большую прочность на растяжение. Углеродные волокна характеризуются высокой силой натяжения, низким удельным весом, низким коэффициентом температурного расширения и химической инертностью.

До 2007 г. в СНГ углеродные волокна производились на двух предприятиях: «Аргон» (г. Балаково, Россия) - производство на основе ПАН (полиакрилонитрила) и ОАО «СветлогорскХимволокно» - производство на основе вискозы. Предприятие в Беларуси - крупнейший мировой производитель углеволокна из вискозы . Существовавшие во времена СССР в г. Бровары (под Киевом, Украина), г. Запорожье (Украина) г. С.-Петербурге (НПО «Химволокно»), г. Шуе (Россия) утрачены.

В настоящее время в России углеволокнистые материалы производятся АО «Препрег-СКМ» , ОАО «НПК «Химпроминжиниринг» (входит в структуру Росатома) , НПЦ «УВИКОМ» , ООО «Аргон» , «Нанотехнологический Центр Композитов» .

Свойства

УВ имеют исключительно высокую теплостойкость: при тепловом воздействии вплоть до 1600-2000 °С в отсутствие кислорода механические показатели волокна не изменяются. Это предопределяет возможность применения УВ в качестве тепловых экранов и теплоизоляционного материала в высокотемпературной технике. На основе УВ изготавливают углерод-углеродные композиты, которые отличаются высокой абляционной стойкостью. УВ устойчивы к агрессивным химическим средам, однако окисляются при нагревании в присутствии кислорода. Их предельная температура эксплуатации в воздушной среде составляет 300-370 °С . Нанесение на УВ тонкого слоя карбидов, в частности SiC , или нитрида бора позволяет в значительной мере устранить этот недостаток. Благодаря высокой химической стойкости УВ применяют для фильтрации агрессивных сред, очистки газов, изготовления защитных костюмов и др. Изменяя условия термообработки, можно получить УВ с различными электрофизическими свойствами (удельное объёмное электрическое сопротивление от 2⋅10 −3 до 10 6 Ом/см) и использовать их в качестве разнообразных по назначению электронагревательных элементов, для изготовления термопар и др.

Активацией УВ получают материалы с большой активной поверхностью (300-1500 м²/г), являющиеся прекрасными сорбентами. Нанесение на волокно катализаторов позволяет создавать каталитические системы с развитой поверхностью.

Обычно УВ имеют прочность порядка 0,5-1 ГПа и модуль 20-70 ГПа, а подвергнутые ориентационной вытяжке - прочность 2,5-3,5 ГПа и модуль 200-450 ГПа. Благодаря низкой плотности (1,7-1,9 г/см³) по удельному значению (отношение прочности и модуля к плотности) механических свойств лучшие УВ превосходят все известные жаростойкие волокнистые материалы. Удельная прочность УВ уступает удельной прочности стекловолокна и арамидных волокон. На основе высокопрочных и высокомодульных УВ с использованием полимерных связующих получают конструкционные углеродопласты. Разработаны композиционные материалы на основе УВ и керамических связующих, УВ и углеродной матрицы, а также УВ и металлов, способные выдерживать более жёсткие температурные воздействия, чем обычные пластики.

Применение

УВ применяют для армирования композиционных, теплозащитных, химостойких и других материалов в качестве наполнителей в различных видах углепластиков . Наиболее ёмкий рынок для УВ в настоящее время - производство первичных и вторичных структур в самолетах различных производителей, в том числе таких компаний как «Boeing » и «Airbus » (до 30 тонн на одно изделие). По причине резко возросшего спроса в 2004-2006 гг. на рынке наблюдался большой дефицит волокна, что привело к его резкому подорожанию.

Из УВ изготавливают электроды, термопары , экраны, поглощающие электромагнитное излучение, изделия для электро- и радиотехники. На основе УВ получают жёсткие и гибкие электронагреватели, в том числе ставшие популярными т. н. «карбоновые нагреватели», обогревающие одежду и обувь. Углеродный войлок - единственно возможная термоизоляция в вакуумных печах, работающих при температуре 1100 °C и выше. Благодаря химической инертности углеволокнистые материалы используют в качестве фильтрующих слоёв для очистки агрессивных жидкостей и газов от дисперсных примесей, а также в качестве уплотнителей и сальниковых набивок. УВА и углеволокнистые ионообменники служат для очистки воздуха, а также технологических газов и жидкостей, выделения из последних ценных компонентов, изготовления средств индивидуальной защиты органов дыхания. Широкое применение находят УВА (в частности, актилен) в медицине для очистки крови и других биологических жидкостей. В специальных салфетках для лечения гнойных ран, ожогов и диабетических язв - незаменима ткань АУТ-М, разработанная в начале 80-х годов и опробованная при боевых действиях в Афганистане . Как лекарственное средство применяют при отравлениях (благодаря высокой способности сорбировать яды. Например препарат «Белосорб», или АУТ-МИ на основе светлогорского сорбента), как носители лекарственных и биологически активных веществ. УВ катализаторы используют в высокотемпературных процессах неорганического и органического синтеза, а также для окисления содержащихся в газах примесей (СО до CO 2 , SO 2 до SO 3 и др.). Широко применяется при изготовлении деталей кузова в автоспорте, а также в производстве спортивного инвентаря (клюшки, вёсла, лыжи, велосипедные рамы и компоненты, обувь) и т. д.

Углеволокно применяется в строительстве в различных системах внешнего армирования (СВА) - при его помощи усиливают железобетонные, металлические, каменные и деревянные конструктивные элементы зданий и сооружений с целью устранения последствий разрушения материала и коррозии арматуры в результате длительного воздействия природных факторов и агрессивных сред в процессе эксплуатации, а также для сейсмоусиления. Суть данного метода заключается в повышении прочности элементов, воспринимающих нагрузки в процессе эксплуатации зданий и сооружений, с помощью углеродных тканей, ламелей и сеток. Усиление строительных конструкций углеволокном повышает несущую способность без изменения структурной схемы объекта.

Или вискозного волокна и отличались хрупкостью и высокой пористостью и впоследствии были заменены вольфрамовыми нитями. В течение последующих 20 лет он же предложил получать углеродные и графитированные волокна на основе различных природных волокон. Вторично интерес к углеродным волокнам появился в середине XX в., когда велись поиски материалов, пригодных для использования в качестве компонентов композитов для изготовления ракетных двигателей. УВ по своим качествам оказались одними из наиболее подходящих для такой роли армирующими материалами, поскольку они обладают высокой термостойкостью, хорошими теплоизоляционными свойствами, коррозионной стойкостью к воздействию газовых и жидких сред, высокими удельными прочностью и жесткостью. В 1958 г. в США были получены УВ на основе вискозных волокон. При изготовлении углеродных волокон нового поколения применялась ступенчатая высокотемпературная обработка ГТЦ-волокон (900 °C, 2500 °C), что позволило достичь значений предела прочности при растяжении 330-1030 МПа и модуля упругости 40 ГПа. Несколько позднее (в 1960 г.) была предложена технология производства коротких монокристаллических волокон («усов») графита с прочностью 20 ГПа и модулем упругости 690 ГПа. «Усы» выращивались в электрической дуге при температуре 3600 °C и давлении 0,27 МПа (2,7 атм). Совершенствованию этой технологии уделялось много времени и внимания на протяжении ряда лет, однако в настоящее время она применяется редко ввиду своей высокой стоимости по сравнению с другими методами получения углеродных волокон. Почти в то же время в России и несколько позже, в 1961 г., в Японии были получены УВ на основе полиакрилонитрильных (ПАН) волокон. Характеристики первых углеродных волокон на основе ПАН были невысоки, но постепенно технология совершенствовалась и уже через 10 лет (к 1970 г.) были получены углеродные волокна на основе ПАН-волокон с пределом прочности 2070 МПа и модулем упругости 480 ГПа. Тогда же была показана возможность получения углеродных волокон по этой технологии с еще более высокими механическими характеристиками: модулем упругости до 800 ГПа и пределом прочности более 3 ГПа. УВ на основе нефтяных пеков были получены в 1970 г. также в Японии. За счет специальных технологических приемов механические свойства УВ из пеков могут быть повышены до уровня волокон на основе ПАН. С этого времени разработки УВ развивались во многих фирмах и организациях мира, которые соревновались в достижении наиболее высоких механических свойств. Это соревнование продолжается и сегодня, однако, достигнув рекордных значений, повышать дальше показатели механических свойств оказалось весьма трудно.

Получение

Рис. 1. Структуры, образующиеся при окислении ПАН-волокна

УВ обычно получают термической обработкой химических или природных органических волокон, при которой в материале волокна остаются главным образом атомы углерода. Температурная обработка состоит из нескольких этапов. Первый из них представляет собой окисление исходного (полиакрилонитрильного, вискозного) волокна на воздухе при температуре 250 °C в течение 24 часов. В результате окисления образуются лестничные структуры, представленные на рис. 1. После окисления следует стадия карбонизации - нагрева волокна в среде азота или аргона при температурах от 800 до 1500 °C. В результате карбонизации происходит образование графитоподобных структур. Процесс термической обработки заканчивается графитизацией при температуре 1600-3000°С, которая также проходит в инертной среде. В результате графитизации количество углерода в волокне доводится до 99 %. Помимо обычных органических волокон (чаще всего вискозных и полиакрилонитрильных), для получения У. в. могут быть использованы специальные волокна из фенольных смол, лигнина, каменноугольных и нефтяных пеков.

Дополнительная переработка УВ

Углеродные волокна могут выпускаться в разнообразном виде: штапелированные (резаные, короткие) нити, непрерывные нити, тканые и нетканые материалы. Наиболее распространенный вид продукции - жгуты, пряжа, ровинги, нетканые холсты. Изготовление всех видов текстильной продукции производится по обычным технологиям, так же как для других видов волокон. Вид текстильной продукции определяется предполагаемым способом использования УВ в композиционном материале, точно так же, как и сам метод получения композита. Основные методы получения композитов, армированных углеродными волокнами, являются обычными для волокнистых материалов: выкладка, литье под давлением, пултрузия и другие. В настоящее время выпускается ряд видов УВ и УВМ, основные из которых перечислены ниже. На основе вискозных нитей и волокон: нити, ленты, ткани - Урал®; нетканый материал - Карбопон®; активированные сорбирующие ткани - Бусофит®,САУТ-1С, АУТ-М; активированные сорбирующие нетканые материалы - Карбопон-Актив®. На основе вискозных штапельных волокон: волокна и нетканые материалы: карбонизованые - Углен® (технология восстановлена на Светлогорском ПО "Химволокно") и графитированые - Грален®; На основе ПАН-нитей и жгутов: ленты и ткани - ЛУ®, УКН®, Кулон®, Элур®. активированные сорбирующие волокна и нетканые материалы - Актилен®, Ликрон®; дисперсный порошок из размолотых волокон - Ваулен®, АУТ-МИ (для медицинских целей). На основе ПАН-волокон: Волокна и нетканые материалы: карбонизованные - Эвлон® и графитированные - Конкор®. Выпускают УВ и за рубежом: в США - Торнел®, Целион®, Фортафил®; в Великобритании - Модмор®, Графил®; в Японии - Торейка®, Куреха-лон® и т. д..

До 2007 г. в СНГ углеродные волокна производятся на двух предприятиях: "Аргон" (г. Балаково, Россия) - производство на основе ПАН (полиакрилонитрила) и РУП "Светлогорское ПО Химволокно" (г. Светлогорск, Беларусь, www.sohim.by) - производство на основе вискозы. Оба предприятия обладают собственными мощностями по производству прекурсора. Предприятие в Беларуси - крупнейший мировой производитель углеволокна из вискозы (http://www.promvest.info/354/5338/). По некоторым данным, продолжают работать обе линии НПО «Химволокно» в г. Мытищи . Существовавшие во времена СССР в г. Бровары (под Киевом, Украина), г. Запорожье (Украина) г. С.-Петербурге (НПО "Химволокно"), г. Шуе (Россия) утрачены безвозвратно. Неясна судьба производств в г. Челябинск и г. Электроугли Московской области. Предположительно, частичное оборудование (печи активации) имеются в распоряжении АО "Неорганика", г. Электросталь.

Компания ОАО «НПК «Химпроминжиниринг» (входит в структуру Росатома) является единственным в России производителем углеродных волокон и одним из не многих производителей ПАН-прекурсоров, которые выпускаются на ее дочерних предприятиях – ООО «Аргон» (г. Балаково Саратовской области), ООО «Завод углеродных и композиционных материалов» http://zukm.ru/ (г. Челябинск) и ООО «СНВ» (г. Саратов). Так же ПАН-прекурсоры (нить, жгут) выпускает ФГУП "ВНИИСВ" (г.Тверь).Основными потребителями углеродных волокон являются предприятия атомной отрасли, а также авиационные предприятия и предприятия военно-промышленного комплекса. ОАО «НПК «Химпроминжиниринг» планирует к 2020 году выйти на объем производства не менее 3000 тонн углеродных волокон в год.

Свойства

УВ имеют исключительно высокую теплостойкость: при тепловом воздействии вплоть до 1600-2000 °С в отсутствии кислорода механические показатели волокна не изменяются. Это предопределяет возможность применения УВ в качестве тепловых экранов и теплоизоляционного материала в высокотемпературной технике. На основе УВ изготавливают углерод-углеродные композиты, которые отличаются высокой абляционной стойкостью. УВ устойчивы к агрессивным химическим средам, однако окисляются при нагревании в присутствии кислорода. Их предельная температура эксплуатации в воздушной среде составляет 300-350°С . Нанесение на УВ тонкого слоя карбидов, в частности SiC, или нитрида бора позволяет в значительной мере устранить этот недостаток. Благодаря высокой химической стойкости УВ применяют для фильтрации агрессивных сред, очистки газов, изготовления защитных костюмов и др. Изменяя условия термообработки, можно получить УВ с различными электрофизическими свойствами (удельное объёмное электрическое сопротивление от 2·10^-3 до 10^6 ом/см) и использовать их в качестве разнообразных по назначению электронагревательных элементов, для изготовления термопар и др.

Обычно УВ имеют прочность порядка 0,5-1 Гн/м² и модуль 20-70 Гн/м², а подвергнутые ориентационной вытяжке - прочность 2,5-3,5 Гн/м² и модуль 200-450 Гн/м². Благодаря низкой плотности (1,7-1,9 г/м³) по удельному значению (отношение прочности и модуля к плотности) механических свойств УВ превосходят все известные жаростойкие волокнистые материалы. На основе высокопрочных и высокомодульных УВ с использованием полимерных связующих получают конструкционные углеродопласты. Разработаны композиционные материалы на основе УВ и керамических связующих, УВ и углеродной матрицы, а также УВ и металлов, способные выдерживать более жесткие температурные воздействия, чем обычные пластики.

Применение

УВ применяют для армирования композиционных, теплозащитных, хемостойких в качестве наполнителей в различных видах углепластиков. Наиболее емкий рынок для УВ в настоящее время - производство первичных и вторичных структур в самолетах "Боинг" и "Аэробус" (до 30тн на одно изделие). По причине резко возросшего спроса в 2004-2006г.г. на рынке наблюдался большой дефицит волокна, что привело к его резкому удорожанию.

Из УВМ изготовляют электроды, термопары, экраны, поглощающие электромагнитное излучение, изделия для электро- и радиотехники. На основе УВ получают жесткие и гибкие электронагреватели, в том числе ставшие полулярными т.н. "карбоновые нагреватели", обогреваемую одежду и обувь. Углеродный войлок - единственно возможная термоизоляция в вакуумных печах, работающих при температуре 1100 С и выше. Благодаря химической инертности углеволокнистые материалы используют в качестве фильтрующих слоев для очистки агрессивных жидкостей и газов от дисперсных примесей, а также в качестве уплотнителей и сальниковых набивок. УВА и углеволокнистые ионообменники служат для очистки воздуха, а также технологических газов и жидкостей, выделения из последних ценных компонентов, изготовления средств индивидуальной защиты органов дыхания. Широкое применение находят УВА (в частности, актилен) в медицине для очистки крови и других биологических жидкостей. В специальных салфетках для лечения гнойных ран, ожогов и диабетических язв - незаменима ткань АУТ-М, разработанная в начале 80-х годов и опробованная в Афганистане (http://www.health-ua.com/articles/2291.html). Как лекарственное средство применяют при отравлениях (благодаря высокой способности сорбировать яды. Например препарат "Белосорб", или АУТ-МИ на основе светлогорского сорбента), как носители лекарственных и биологически активных веществ. УВ катализаторы используют в высокотемпературных процессах неорганических и органических синтеза, а также для окисления содержащихся в газах примесей (СО до CO2, SO2 до SO3 и др.).

Передовые отрасли промышленности и строительства за последнее время освоили немало принципиально новых технологий, большая часть которых связана с инновационными материалами. Обычный пользователь мог заметить проявление данного процесса на примере стройматериалов с включением композитов. Также в автомобилестроении внедряются карбоновые элементы, повышающие эксплуатационные качества спорткаров. И это далеко не все направления, в которых задействуются углепластики. Основой для данного компонента выступают углеродные волокна, фото которых представлено ниже. Собственно, в непревзойденных технико-физических качествах и заключается уникальность и активное распространение композитов нового поколения.

Технология получения

Для производства материала используют сырье в виде природных или органического происхождения. Далее, в результате специальной обработки, от исходной заготовки остаются только углеродные атомы. Главной воздействующей силой является температура. Технологический процесс предусматривает выполнение нескольких этапов термообработки. На первой стадии происходит окисление первичной структуры в условиях температурного режима до 250 °C. На следующем этапе получение углеродных волокон переходит в процедуру карбонизации, в результате которой материал нагревается в азотной среде при высоких температурах до 1500 °C. Таким образом формируется графитоподобная структура. Завершает весь процесс изготовления финальная обработка в виде графитизации при 3000 °C. На этой стадии содержание чистого углерода в волокнах достигает 99 %.

Где применяется волокно углеродное?

Если в первые годы популяризации материал использовался исключительно в узкоспециализированных областях, то сегодня наблюдается расширение производств, в которых задействуется данное химволокно. Материал довольно пластичен и разнороден в плане возможностей эксплуатации. С большой вероятностью области применения таких волокон будут расширяться, но уже сегодня оформились базовые типы представления материала на рынке. В частности, можно отметить строительную сферу, медицину, изготовление электротехники, бытовых приборов и т. д. Что касается специализированных областей, то использование углеродных волокон по-прежнему актуально для производителей авиатехники, медицинских электродов и

Формы изготовления

В первую очередь это термоустойчивые текстильные изделия, среди которых можно выделить ткани, нити, трикотаж, войлок и т. д. Более технологичным направлением является изготовление композитов. Пожалуй, это наиболее широкий сегмент, в котором представлено волокно углеродное как основа изделий для серийного производства. В частности, это подшипники, термоустойчивые узлы, детали и различные элементы, которые работают в условиях агрессивных сред. Преимущественно композиты ориентированы на рынок автомобилестроения, однако и строительная область довольно охотно рассматривает новые предложения от изготовителей данного химволокна.

Свойства материала

Специфика технологии получения материала наложила свой отпечаток на эксплуатационные качества волокон. В результате высокая термическая стойкость стала главной отличительной чертой структуры таких изделий. Кроме тепловых воздействий, материал устойчив и к химическим агрессивным средам. Правда, если в процессе окисления при нагревании присутствует кислород, это губительно сказывается на волокнах. Зато механическая прочность углеродного волокна может составить конкуренцию многим традиционным материалам, которые считаются твердотельными и стойкими к повреждениям. Это качество особенно выражено в карбоновых изделиях. Еще одним свойством, которое имеет спрос среди технологов различной продукции, является способность абсорбции. Благодаря активной поверхности данное волокно можно рассматривать в качестве эффективной каталитической системы.

Производители

Передовиками в сегменте являются американские, японские и немецкие компании. Российские технологии в этой области практически не развивались последние годы и по-прежнему базируются на разработках времен СССР. На сегодняшний день половина изготавливаемых в мире волокон приходится на долю японских компаний Mitsubishi, Kureha, Teijin и др. Другую часть делят между собой немцы и американцы. Так, со стороны США выступает компания Cytec, а в Германии волокно углеродное производит фирма SGL. Не так давно в список лидеров этого направления вошло и тайваньское предприятие Formosa Plastics. Что касается отечественного производства, то разработками композитов занимаются лишь две компании - «Аргон» и «Химволокно». При этом серьезные достижения за последние годы сделали белорусские и украинские предприниматели, осваивающие новые ниши для коммерческого использования углепластиков.

Будущее углеродных волокон

Поскольку некоторые виды углепластиков уже в ближайшее время позволят выпускать изделия, способные сохранять изначальную структуру миллионы лет, многие специалисты предсказывают перепроизводство подобной продукции. Несмотря на это, заинтересованные компании продолжают вести гонку технологических обновлений. И во многом это оправдано, так как свойства углеродных волокон на порядок превосходят аналогичные качества традиционных материалов. Достаточно вспомнить прочность и термостойкость. Исходя из этих достоинств разработчики и осваивают новые направления развития. Внедрение материала, скорее всего, будет охватывать не только специализированные сферы, но и близкие к массовому потребителю области. Например, обычные пластиковые, алюминиевые и деревянные элементы могут заменяться углепластиком, который по целому ряду эксплуатационных качеств будет превосходить привычные материалы.

Заключение

Широкому распространению инновационному химволокну мешают многие факторы. Одним из самых существенных является высокая стоимость. Поскольку волокно углеродное требует задействования высокотехнологичного оборудования для изготовления, его получение может себе позволить далеко не каждая компания. Но и это не самое главное. Дело в том, что далеко не во всех сферах производители заинтересованы в столь радикальных изменениях качества продукции. Так, повышая долговечность одного элемента инфраструктуры, производитель не всегда может выполнить аналогичную модернизацию на смежных компонентах. В итоге получается дисбаланс, который сводит к нулю все достижения новых технологий.

Строительная отрасль в наше время активно развивается посредством внедрения новых материалов, а также за счет использования инновационных технологий. Наиболее актуальными являются проблемы возведения сооружений, которые отличались бы устойчивостью к динамическим нагрузкам и агрессивным условиям окружающей среды. Так для укрепления бетонных конструкций стали использовать углеволокно, которое ранее применялось только в самолёто- и ракетостроении.

Немного истории: как появился карбон

На сегодняшний день углерод в том или ином виде востребован практически во всех промышленных отраслях. Особенностью и главным его преимуществом является то, что он способен гармонично дополнять традиционные строительные материалы, будь то стекло, метал, дерево или бетон или же и вовсе заменить их, что весьма выгодно и для человека, и для природы.

Открыт углерод еще в 1880 году Т. Эдисоном в процессе исследования нити лампы накаливания. Благодаря зарубежным производителям и промышленникам углеволокно стало активно применяться в различных отраслях, в том числе и в строительстве. На территории нашей страны последние проекты с использованием углеволокна разрабатывались еще в советские времена, потому сейчас они активно реанимируются инженерами.

Углеволокно: характеристика материала и особенности его использования

Углеродное волокно является продуктом искусственного происхождения и относится к полимерам с композитной структурой. Формируется из тонких нитей (диаметр от 3 до 15 микрон), а нити, в свою очередь, из атомов углерода, которые объединяются в кристаллическую сетку. За счёт физических особенностей атома углерода, кристаллы в сетке располагаются параллельно относительно друг друга. Такое выравнивание является ключевым фактором, который способствует повышенной прочности волокна на растяжение.

Широкое использование углеволокна в аэрокосмической сфере и оборонной промышленности, а также для сооружения зданий обосновано тем, что по твердости материал значительно превосходит металл. Углеволокно в строительстве начали использовать в 1980 году в Калифорнии для укрепления построек, находящихся в сейсмически активной зоне. В отечественном строительстве материал применяется, как правило, в процессе ремонтных работ, но его популярность и сфера использования постепенно растет.

Технические характеристики и плюсы применения в строительстве

Столь продолжительный эксплуатационный срок углеволокна обусловлен такими характеристиками:

Отличная адгезия к поверхностям с различной структурой.
Высокая устойчивость к коррозийным процессам.
Лёгкость и прочность. Благодаря тому, что углеволокно обладает поразительной лёгкостью, его используют в системах армирования, что позволяет снизить нагрузку на фундамент здания.
Изоляция от влаги. Поверхность углепластикового волокна является глянцевой, что исключает возможность его реакции с водой.
Высокая огнеупорность и ударопрочность.
При использовании для армирования, можно наносить материал в несколько слоёв.
Проведение ремонтных работ любого типа, где возможно применение углеволокна, может осуществляться без прекращения эксплуатации самого здания.
Является полностью токсически безопасным и экологически чистым.
Высокая степень универсальности. Может использоваться при армировании конструкций практически любых конфигураций: на ребристых поверхностях, закругленных и угловых элементах, балочных сегментах рамных конструкций и пр.

Составляющей углеродного волокна является полиакрилнитрит, который предварительно обрабатывается высокой температурой (в пределах 3000° - 5000°С). Учитывая вышеописанные технические характеристики, наиболее частой сферой применения углеволокна в строительстве является внешнее армирование.

При этом волокно пропитывается двухкомпонентной эпоксидной смолой, которая выступает связующим веществом. Монтаж производится аналогично обоям – материал просто наклеивается на поверхность конструкции, которая укрепляется.

Использование именно эпоксидной смолы в качестве связующего вещества обусловлено следующими особенностями материала:

Такая смола имеет высокие адгезивные свойства по отношению к бетонным поверхностям.
Компоненты углеволокна и смолы вступают между собой в химическую реакцию, в результате которой углеводород приобретает жёсткость пластика и становится прочнее стали в 7 раз.

Благодаря таким характеристикам углеволокно занимает лидирующие позиции среди композитных материалов. Прочность материала на разрыв в 4 раза превосходит сталь лучших марок, несмотря на то, что он на 75% легче железа и на 30% алюминия. Удельный вес углеродного волокна относительно низкий, а при нагревании материал расширяется незначительно, что обеспечивает возможность применение углеволокна в различных климатических зонах.

Недостатки углеволокна

Список недостатков карбона короткий, но обязательно должны быть учтены при планировании строительства. Выделяют три основных недостатка:

Углеволокно является хорошим отражателем электрических волн.
Материал отличается высокой стоимостью в сравнении с аналогами.
Изготовление композита более трудоёмкое, чем производство металла.

Применение углеродного волокна в строительстве: основные варианты

Эффективность карбона позволяет успешно применять его для армирования конструкций из дерева, кирпича или железобетона. Согласно СНиП и ГОСТ, сооружение, усиленное таким материалом, становится прочнее на сжатие до 120%, а на изгиб получает еще плюс 65% прочности.

Помимо такого варианта использования, углеродное волокно также успешно используется для реставрации каменных конструкций, к примеру, балок и опор бетонных мостов. В частном строительстве усиление фундамента или стен посредством карбона придаст сооружению большой запас прочности.

Усиление построек с помощью армирования карбоном необходимо в таких случаях:

Конструкция была повреждена, в результате чего её несущая способность снизилась, стали появляться трещины.
Изменились условия эксплуатации помещения, возросли нагрузки на него.
Планируется постройка здания в сейсмически активной зоне.
Для устранения разрушений бетона и коррозийных процессов в арматуре, если постройка долгое время подвергалась агрессивному воздействию внешней среды.

Если углеродное волокно было выбрано на этапе проектирования постройки, как один из компонентов системы внешнего армирования, то в работе следует руководствоваться Сводом правил 164.1325800.2014.

Производя армирование самостоятельно, нужно учитывать, что наклеивание карбона осуществляется в зонах наибольшей нагрузки: как правило, это центральная часть пролета, которая соприкасается с нижней гранью. Для работы с изгибами можно выбрать любой тип материала – ленты, сетки или ламели.

В процессе армирования балок может возникнуть необходимость дополнительного укрепления приопорных зон, что повысит несущую способность всей конструкции при поперечной нагрузке. Для этого используют U-образные хомуты из лент или сеток.

Где следует осуществлять внешнее армирование карбоном

Углеволокно в строительстве может быть использовано для усиления зданий и сооружений из таких материалов:

Камень. Сюда относят столбы, пилоны, кирпичные дома. Углеволокно применимо здесь как в процессе постройки, так и для проведения рементных работ.
Железобетон. Здесь углеродное волокно может быть использовано для гидротехнических построек, мостов, паток архитектуры.
Металл. Такие сооружения имеют близкий к углеволокну модуль прочности и упругости, но их усиление все равно необходимо, особенно в зонах с неустойчивыми грунтами.

Условия успешного процесса армирования внешних конструкций

Чтобы процесс усиления постройки прошёл максимально эффективно, следует обеспечить ряд таких условий:

Надежное сцепление с поверхностью здания. Чем лучше армирующая сетка из углеволокна будет приклеена к конструкции, тем более эффективной будет передача усилий на неё.
Отсутствие естественной влаги. Важно обеспечить сухость поверхности, армирование которой будет проводиться.
Материалы, используемые в работе (особенно клеевые составы) должны отличаться высоким качеством и отличными характеристиками для обеспечения максимальной эффективности.

Профессиональное внешнее армирование углеволокном

Несмотря на возрастающую популярность использования углеродного волокна, технология его применения остаётся достаточно сложной для домашнего мастера. Потому если вы хотите осуществить строительные или ремонтные работы с таким композитным материалом, то следует доверить это профессионалам. Компания ИнноваСтрой уже много лет успешно осуществляет проекты по возведению объектов разной сложности.

Нашей фирме по силам любые задачи: начиная от проектирования постройки до сдачи готового объекта с отделкой. Что касается углеволокна, то это очень дорогой материал, который требует определенных навыков его монтажа, а также наличие специального оборудования. Для успешного выполнения армирования следует подготовить поверхность и сам композитный материал, правильно осуществить его монтаж (что зависит от типа конструкции), а затем грамотно нанести следующие слои.

ИнноваСтрой готова взяться за весь спектр работ по армированию постройки, а также выполнить ремонтные работы уже готовых сооружений с укреплением их карбоном. Мы работаем в строительной сфере уже не первый год и знаем территориальные особенности каждого региона, а потому сможем рассчитать целесообразное количество материала.

Сотрудничество домов и коттеджей с нами является гарантией таких преимуществ:

Мы можем проводить встречи с клиентами удаленно. Данная функция наиболее выгодна, когда у заказчика нет возможности посетить наш офис лично. В таком случае, мы предлагаем связь по Скайпу или посредством другой удобной программы.
Приемлемые цены на услуги строительной компании . Стоимость наших работ всегда очень разумна и рассчитывается исходя из определенных критериев.
Индивидуальный подход. Каждый клиент очень ценен для нас, потому мы выслушиваем все ваши требования или пожелания по проекту и выполняем работу так, как было согласовано.
Широкий спектр предоставляемых услуг. Наш штат имеет квалифицированных специалистов из разных отраслей строительства и отделки помещений.

Убедиться в нашем профессионализме вы можете, связавшись с менеджером компании по телефону. Мы с радостью ответим на все ваши вопросы и предоставим консультацию. Настало время заказать индивидуальный проект дома и получить жилье своей мечты!