Dlaczego włókno węglowe jest materiałem wyjątkowym? W kuchni węglowej: Trwałość Naprawa pręta z włókna szklanego.

Włókno węglowe to kompozytowy materiał wielowarstwowy, będący siecią włókien węglowych w powłoce z termoutwardzalnych żywic polimerowych (zwykle epoksydowych), polimeru wzmocnionego włóknem węglowym.

Międzynarodowa nazwa Carbon to węgiel, z którego otrzymuje się włókno węglowe.

Ale obecnie do włókien węglowych zalicza się wszystko, w czym podstawą nośną są włókna węglowe, ale spoiwo może być inne. Węgiel i włókno węglowe zostały połączone w jedno pojęcie, powodując zamieszanie w umysłach konsumentów. Oznacza to, że węgiel lub włókno węglowe to to samo.

Jest to materiał innowacyjny, którego wysoki koszt wynika z pracochłonnego procesu technologicznego i dużego udziału pracy ręcznej. W miarę doskonalenia i automatyzacji procesów produkcyjnych cena węgla będzie spadać. Na przykład: koszt 1 kg stali to mniej niż 1 dolar, 1 kg wyprodukowanego w Europie włókna węglowego kosztuje około 20 dolarów. Obniżenie kosztów możliwe jest jedynie poprzez pełną automatyzację procesu.

Zastosowanie węgla

Włókno węglowe zostało początkowo opracowane do samochodów sportowych i technologii kosmicznej, ale ze względu na doskonałe właściwości użytkowe, takie jak niska waga i wysoka wytrzymałość, stało się powszechne w innych gałęziach przemysłu:

• w produkcji samolotów,
• na sprzęt sportowy: kije, kaski, rowery.
• wędki,
• sprzęt medyczny itp.

Elastyczność tkaniny węglowej, możliwość jej wygodnego cięcia i cięcia oraz późniejszej impregnacji żywicą epoksydową pozwalają na formowanie wyrobów węglowych o dowolnym kształcie i rozmiarze, także samodzielnie. Powstałe półfabrykaty można szlifować, polerować, malować i drukować fleksograficznie.

Charakterystyka techniczna i właściwości węgla

Popularność tworzywa sztucznego z włókna węglowego tłumaczy się jego unikalnymi właściwościami użytkowymi, które uzyskuje się poprzez połączenie materiałów o zupełnie różnych właściwościach w jednym kompozycie - włóknie węglowym jako podłożu nośnym i jako spoiwie.

Elementem wzmacniającym wspólnym dla wszystkich rodzajów włókna węglowego są włókna węglowe o grubości 0,005-0,010 mm, które dobrze sprawdzają się w rozciąganiu, ale mają niską wytrzymałość na zginanie, czyli są anizotropowe, mocne tylko w jednym kierunku, dlatego ich zastosowanie jest uzasadniony jedynie w formie płótna.

Dodatkowo wzmocnienie można wykonać gumą, która nadaje włóknu węglowemu szary odcień.

Węgiel lub włókno węglowe charakteryzuje się wysoką wytrzymałością, odpornością na zużycie, sztywnością i niską wagą w porównaniu do stali. Jego gęstość wynosi od 1450 kg/m3 do 2000 kg/m3. Charakterystyki techniczne włókna węglowego można zobaczyć na podstawie gęstości, temperatury topnienia i właściwości wytrzymałościowych.

Kolejnym elementem wzmacniającym, obok nici węglowych, jest . Są to te same żółte nitki, które można zobaczyć w niektórych rodzajach włókna węglowego. Niektórzy pozbawieni skrupułów producenci podają kolorowe włókno szklane, barwioną wiskozę i włókna polietylenowe jako kevlar, którego przyczepność do żywic jest znacznie gorsza niż włókna węglowego, a wytrzymałość na rozciąganie jest kilkakrotnie mniejsza.

Kevlar to amerykańska marka należąca do klasy polimerów aramidowych, spokrewnionych z poliamidami i lawsanem. Nazwa ta stała się już powszechnie rzeczownikiem dla wszystkich włókien tej klasy. Wzmocnienie zwiększa odporność na obciążenia zginające, dlatego jest szeroko stosowane w połączeniu z włóknem węglowym.

Jak powstają włókna węglowe?

Włókna składające się z najdrobniejszych włókien węglowych otrzymywane są poprzez obróbkę cieplną w powietrzu, czyli utlenianie włókien polimerowych lub organicznych (poliakrylonitryl, fenol, lignina, wiskoza) w temperaturze 250°C przez 24 godziny, czyli praktycznie zwęglanie ich. Tak wygląda włókno węglowe pod mikroskopem po zwęgleniu.

Po utlenieniu następuje karbonizacja – ogrzewanie włókna w azocie lub argonie w temperaturach od 800 do 1500°C w celu zbudowania struktur przypominających cząsteczki grafitu.

Następnie w tym samym środowisku w temperaturze 1300-3000°C przeprowadza się grafityzację (nasycanie węglem). Proces ten można powtórzyć kilka razy, usuwając azot z włókna grafitowego, zwiększając stężenie węgla i wzmacniając je. Im wyższa temperatura, tym mocniejsze włókno. Zabieg ten zwiększa stężenie węgla we włóknie do 99%.

Rodzaje włókien węglowych. Płótno

Włókna mogą być krótkie, cięte, ichzwany„zszyte” lub na szpulkach mogą znajdować się ciągłe nitki.Mogą to być kable, przędza, niedoprzęd, z których następnie wykonuje się tkaniny i włókniny oraz taśmy. Czasami włókna układane są w matrycy polimerowej bez przeplotu (UD).

Ponieważ włókna dobrze sprawdzają się przy rozciąganiu, ale słabo przy zginaniu i ściskaniu, idealnym zastosowaniem włókna węglowego jest użycie go w postaci tkaniny węglowej. Uzyskuje się go poprzez różne rodzaje tkania: jodełkę, matę itp., Które mają międzynarodowe nazwy Plain, Twill, Satin. Czasami włókna są po prostu przecinane w poprzek dużymi szwami, zanim zostaną wypełnione żywicą. Prawidłowe właściwości techniczne włókna i rodzaj splotu włókna węglowego są bardzo ważne dla uzyskania wysokiej jakości włókna węglowego.

Żywice epoksydowe najczęściej stosowane są jako podłoże nośne, w którym tkaninę układa się warstwa po warstwie, ze zmianą kierunku tkania, aby równomiernie rozłożyć właściwości mechaniczne zorientowanych włókien. Najczęściej 1 mm grubości blachy węglowej zawiera 3-4 warstwy.

Zalety i wady włókna węglowego

Wyższą cenę węgla w porównaniu do włókna szklanego i włókna szklanego tłumaczy się bardziej złożoną, energochłonną technologią wieloetapową, droższymi żywicami i droższym sprzętem (autoklaw). Ale wytrzymałość i elastyczność są również wyższe, wraz z wieloma innymi niezaprzeczalnymi zaletami:

• 40% lżejszy od stali, 20% lżejszy od aluminium (1,7 g/cm3 - 2,8 g/cm3 - 7,8 g/cm3),
• węgiel wykonany z węgla i kevlaru jest nieco cięższy od węgla i gumy, ale znacznie mocniejszy, a pod wpływem uderzenia pęka, kruszy się, ale nie rozpada się na kawałki,
• wysoka odporność na ciepło: węgiel zachowuje swój kształt i właściwości aż do temperatury 2000 ○C.
• posiada dobre właściwości tłumiące drgania oraz dobrą pojemność cieplną,
• odporność na korozję,
• wysoka wytrzymałość na rozciąganie i wysoka granica sprężystości,
• estetykę i dekoracyjność.

Ale w porównaniu do części metalowych i z włókna szklanego części węglowe mają wady:

• wrażliwość na precyzyjne uderzenia,
• trudność renowacji w przypadku odprysków i zarysowań,
• blaknięcie, blaknięcie pod wpływem promieni słonecznych, pokryte lakierem lub emalią w celu zabezpieczenia,
• długi proces produkcyjny,
• w miejscach kontaktu z metalem rozpoczyna się korozja metalu, dlatego w takich miejscach mocuje się wkładki z włókna szklanego,
• Trudności w recyklingu i ponownym użyciu.

Jak powstaje węgiel

Istnieją następujące główne metody wytwarzania produktów z włókna węglowego.

1. Metoda prasowania lub „na mokro”.

Płótno układa się w formie i impregnuje żywicą epoksydową lub poliestrową. Nadmiar żywicy usuwa się poprzez formowanie próżniowe lub ciśnienie. Produkt usuwa się po polimeryzacji żywicy. Proces ten może zachodzić naturalnie lub być przyspieszony przez ogrzewanie. Zwykle w wyniku tego procesu powstają arkusze z włókna węglowego.

2. Odlewanie

Model produktu (matryca) wykonany jest z gipsu, alabastru i pianki poliuretanowej, na którą nałożona jest tkanina impregnowana żywicą. Podczas walcowania na rolkach kompozyt zostaje zagęszczony, a nadmiar powietrza zostaje usunięty. Następnie przeprowadza się przyspieszoną polimeryzację i utwardzanie w piecu lub w sposób naturalny. Metodę tę nazywa się „suchą”, a wyroby z niej wykonane są mocniejsze i lżejsze od tych wykonanych metodą „mokrą”. Powierzchnia produktu wykonanego metodą „na sucho” jest ryflowana (jeśli nie jest lakierowana).

Do tej kategorii zaliczają się również listwy z półfabrykatów – prepregów.

Ze względu na zdolność do polimeryzacji wraz ze wzrostem temperatury żywice dzieli się na „zimne” i „gorące”. Te ostatnie stosowane są w technologii prepregów, gdy półprodukty powstają w postaci kilku warstw włókna węglowego pokrytego żywicą. W zależności od marki żywicy można je przechowywać do kilku tygodni w stanie niespolimeryzowanym, przykryć folią i przepuszczać pomiędzy walcami w celu usunięcia pęcherzyków powietrza i nadmiaru żywicy. Czasami prepregi są przechowywane w lodówkach. Przed uformowaniem produktu przedmiot obrabiany jest podgrzewany, a żywica ponownie staje się płynna.

3. Nawijanie

Nić, taśma, tkanina są nawijane na cylindryczny półfabrykat w celu produkcji rur węglowych. Żywicę nanosi się warstwa po warstwie za pomocą pędzla lub wałka i suszy głównie w piecu.

We wszystkich przypadkach powierzchnię aplikacji smaruje się środkami antyadhezyjnymi w celu łatwego usunięcia powstałego produktu po utwardzeniu.

Zrób to sam z włókna węglowego

Produkty na bazie włókna węglowego można formować samodzielnie, co od dawna z powodzeniem stosowane jest w naprawie rowerów, sprzętu sportowego i tuningu samochodów. Możliwość eksperymentowania z wypełniaczami żywicznymi oraz stopień ich przezroczystości zapewnia szerokie pole do kreatywności fanom autotuningu z włókna węglowego. Możesz przeczytać więcej o głównych metodach produkcji części węglowych.

Jak wynika z technologii opisanej powyżej, do formowania konieczne jest:

• forma macierzowa,
• arkusz węgla,
• smar do form ułatwiający wyjmowanie gotowego detalu,
• żywica.

Gdzie mogę zdobyć włókno węglowe? Tajwan, Chiny, Rosja. Ale w Rosji odnosi się to do „tkanin konstrukcyjnych o wysokiej wytrzymałości na bazie włókna węglowego”. Jeśli znajdziesz drogę do przedsiębiorstwa, masz szczęście. Wiele firm oferuje gotowe zestawy wykończeniowe z włókna węglowego typu „zrób to sam” do samochodów i motocykli, zawierające fragmenty włókna węglowego i żywicę.

70% światowego rynku tkanin węglowych wytwarzają duże tajwańskie i japońskie marki: Mitsubishi, TORAY, TOHO, CYTEC, Zoltec itp.

Ogólnie rzecz biorąc, proces wytwarzania włókna węglowego własnymi rękami wygląda następująco:

1. Forma jest nasmarowana środkiem antyadhezyjnym.
2. Po wyschnięciu nakłada się cienką warstwę żywicy, na którą nawija się lub prasuje włókno węglowe w celu uwolnienia pęcherzyków powietrza.
3. Następnie nakładana jest kolejna warstwa żywicy impregnacyjnej. Można nałożyć kilka warstw tkaniny i żywicy, w zależności od wymaganych parametrów produktu.
4. Żywica może polimeryzować na powietrzu. Zwykle dzieje się to w ciągu 5 dni. Można umieścić obrabiany przedmiot w szafce grzewczej nagrzanej do temperatury 140 - 180 ◦C, co znacznie przyspieszy proces polimeryzacji.

Następnie wyrób wyjmuje się z formy, szlifuje, poleruje, lakieruje, żelkotuje lub maluje.

Mamy nadzieję, że znalazłeś wyczerpującą odpowiedź na pytanie „Co to jest węgiel”?

Irina Khimich, konsultant techniczny

Zaawansowany przemysł i budownictwo opanowały ostatnio wiele zasadniczo nowych technologii, z których większość wiąże się z innowacyjnymi materiałami. Zwykły użytkownik mógł zauważyć przejaw tego procesu na przykładzie materiałów budowlanych z udziałem kompozytów. Również w przemyśle motoryzacyjnym wprowadza się elementy węglowe w celu poprawy osiągów samochodów sportowych. A to nie wszystkie obszary, w których wykorzystuje się tworzywa wzmocnione włóknem węglowym. Podstawą tego elementu są włókna węglowe, których zdjęcie prezentujemy poniżej. W rzeczywistości wyjątkowość i aktywne rozpowszechnianie kompozytów nowej generacji leży w ich niezrównanych właściwościach technicznych i fizycznych.

Technologia odbioru

Do produkcji materiału wykorzystuje się surowce pochodzenia naturalnego lub organicznego. Ponadto w wyniku specjalnego przetwarzania z oryginalnego przedmiotu obrabianego pozostają tylko atomy węgla. Główną siłą wpływającą jest temperatura. Proces technologiczny polega na wykonaniu kilku etapów obróbki cieplnej. W pierwszym etapie następuje utlenianie struktury pierwotnej w warunkach temperaturowych do 250°C. W kolejnym etapie produkcji włókien węglowych poddawana jest procedurze karbonizacji, w wyniku której materiał jest podgrzewany w środowisku azotu w wysokich temperaturach dochodzących do 1500°C. W ten sposób powstaje struktura przypominająca grafit. Cały proces produkcyjny kończy się obróbką końcową w postaci grafityzacji w temperaturze 3000°C. Na tym etapie zawartość czystego węgla we włóknach sięga 99%.

Gdzie wykorzystuje się włókno węglowe?

O ile w pierwszych latach popularyzacji materiał był stosowany wyłącznie w wysoce wyspecjalizowanych dziedzinach, dziś następuje ekspansja produkcji, w której wykorzystuje się to włókno chemiczne. Materiał jest dość plastyczny i niejednorodny pod względem możliwości eksploatacyjnych. Z dużym prawdopodobieństwem obszary zastosowań takich włókien będą się poszerzać, ale podstawowe rodzaje prezentacji materiału na rynku już się ukształtowały. W szczególności możemy zwrócić uwagę na przemysł budowlany, medycynę, produkcję sprzętu elektrycznego, sprzętu AGD itp. Jeśli chodzi o obszary specjalistyczne, zastosowanie włókien węglowych jest nadal istotne dla producentów samolotów, elektrod medycznych i

Formy produkcyjne

Przede wszystkim są to wyroby tekstylne żaroodporne, wśród których możemy wyróżnić tkaniny, nici, dzianiny, filce itp. Bardziej technologicznym kierunkiem jest produkcja kompozytów. Być może jest to najszerszy segment, w którym włókno węglowe prezentowane jest jako podstawa produktów do masowej produkcji. W szczególności są to łożyska, elementy żaroodporne, części i różne elementy, które pracują w agresywnym środowisku. Kompozyty kierowane są głównie na rynek motoryzacyjny, jednak branża budowlana również chętnie uwzględnia nowe propozycje producentów tego włókna chemicznego.

Właściwości materiału

Specyfika technologii otrzymywania materiału odcisnęła piętno na właściwościach użytkowych włókien. W efekcie wysoka odporność termiczna stała się głównym wyróżnikiem struktury tego typu wyrobów. Oprócz efektów termicznych materiał jest również odporny na agresywne środowisko chemiczne. To prawda, że ​​jeśli podczas procesu utleniania po podgrzaniu obecny jest tlen, ma to szkodliwy wpływ na włókna. Jednak wytrzymałość mechaniczna włókna węglowego może konkurować z wieloma tradycyjnymi materiałami, które są uważane za solidne i odporne na uszkodzenia. Jakość ta jest szczególnie widoczna w produktach węglowych. Kolejną właściwością, na którą jest zapotrzebowanie wśród technologów różnych produktów, jest zdolność absorpcji. Dzięki swojej powierzchni aktywnej włókno to można uznać za efektywny układ katalityczny.

Producenci

Liderami w segmencie są firmy amerykańskie, japońskie i niemieckie. Rosyjskie technologie w tym zakresie praktycznie nie rozwinęły się w ostatnich latach i nadal opierają się na opracowaniach z czasów ZSRR. Dziś połowę włókien produkowanych na świecie produkują japońskie firmy Mitsubishi, Kureha, Teijin itp. Drugą część dzielą Niemcy i Amerykanie. Tym samym po stronie amerykańskiej działa Cytec, a w Niemczech włókno węglowe produkuje SGL. Niedawno tajwańska firma Formosa Plastics znalazła się na liście liderów w tym obszarze. Jeśli chodzi o produkcję krajową, tylko dwie firmy zajmują się rozwojem kompozytów - Argon i Khimvolokno. Jednocześnie znaczących osiągnięć w ostatnich latach dokonali białoruscy i ukraińscy przedsiębiorcy, którzy eksplorują nowe nisze komercyjnego wykorzystania tworzyw sztucznych wzmacnianych włóknem węglowym.

Przyszłość włókien węglowych

Ponieważ niektóre rodzaje tworzyw sztucznych wzmacnianych włóknem węglowym w najbliższej przyszłości umożliwią wytwarzanie produktów, które zachowają swoją pierwotną strukturę przez miliony lat, wielu ekspertów przewiduje nadprodukcję takich produktów. Mimo to zainteresowane firmy w dalszym ciągu ścigają się w zakresie unowocześnień technologicznych. I pod wieloma względami jest to uzasadnione, ponieważ właściwości włókien węglowych są o rząd wielkości lepsze od właściwości tradycyjnych materiałów. Wystarczy pamiętać o wytrzymałości i odporności na ciepło. W oparciu o te zalety programiści eksplorują nowe obszary rozwoju. Wprowadzenie materiału najprawdopodobniej obejmie nie tylko obszary specjalistyczne, ale także obszary bliskie masowemu konsumentowi. Na przykład konwencjonalne elementy z tworzyw sztucznych, aluminium i drewna można zastąpić włóknem węglowym, które pod wieloma względami przewyższa konwencjonalne materiały.

Wniosek

Wiele czynników utrudnia powszechne zastosowanie innowacyjnych włókien chemicznych. Jednym z najważniejszych jest wysoki koszt. Ponieważ włókno węglowe wymaga użycia do produkcji najnowocześniejszego sprzętu, nie każda firma może sobie pozwolić na jego produkcję. Ale nie to jest najważniejsze. Faktem jest, że nie we wszystkich obszarach producenci są zainteresowani tak radykalnymi zmianami jakości produktu. Zatem zwiększając trwałość jednego elementu infrastruktury, producent nie zawsze może przeprowadzić podobną modernizację na sąsiednich elementach. Rezultatem jest brak równowagi, który unieważnia wszystkie osiągnięcia nowych technologii.

XXI wiek obfituje w innowacje, a branża budowlana nie jest wyjątkiem.

Jeden z najnowszych i coraz bardziej popularnych materiałów – włókno węglowe – zajęło należne mu miejsce, wypierając częściowo włókno szklane i podobne materiały wzmacniające.

Tkanina węglowa: charakterystyka i cechy

Ściśle mówiąc, włókno węglowe nie jest wynalazkiem tego stulecia. Od dawna jest stosowany w produkcji samolotów i rakiet, ale przeciętny człowiek zna ten materiał w postaci wędek z włókna węglowego i kevlaru. Po przejściu długiego etapu doskonalenia i udoskonalania technologii, przemysł w końcu stał się gotowy na dostarczanie tkaniny węglowej innym gałęziom przemysłu, w tym budownictwie.

Główną cechą włókien węglowych jest ich wysoka wytrzymałość właściwa na rozciąganie w stosunku do ich ciężaru własnego. Produkty wzmocnione włóknem węglowym zachowują najwyższą znaną wytrzymałość na rozciąganie, a jednocześnie pod względem zużycia materiału i masy całkowitej są znacznie bardziej opłacalne niż powszechna dziś stal.

W swojej pierwotnej formie włókno węglowe to cienka mikrofibra, z której można wplecić nici, z których z kolei można wplecić płótno dowolnego rozmiaru. Tak wysoką wytrzymałość osiąga się dzięki prawidłowej orientacji cząsteczek i ich silnemu połączeniu. W przeciwnym razie włókna służą po prostu jako wzmocnienie dowolnego rodzaju wypełnienia strukturalnego, od żywic epoksydowych po beton.

Jedną z najbardziej wyraźnych cech włókna węglowego jest jego wysoka zdolność sorpcyjna. Zaletą stosowania włókna węglowego do wzmacniania elementów wykończenia wnętrz jest to, że węgiel nie pozwala na przedostanie się naturalnych zanieczyszczeń, barwników czy rozpuszczalników do powietrza w pomieszczeniach mieszkalnych. Jednocześnie procesy sorpcji zachodzą całkowicie nieszkodliwie dla samego włókna.

Korzyści z użytkowania

Ogólnie rzecz biorąc, dwie właściwości włókna węglowego są interesujące dla budownictwa. Pierwsze - strukturalne wszechstronne wzmocnienie - służy do nadania materiałowi zwiększonej twardości i wytrzymałości na ściskanie. Konstrukcja jest wzmocniona włóknem o grubości 5–10 mikronów i różnej długości włókien. Sensowne jest strukturalne wzmocnienie powierzchni wykończeniowych i konstrukcji wsporczych budynków.

Drugie przeznaczenie włókien węglowych w budownictwie – wtopione wzmocnienie – realizowane jest przez dodatkowo przetworzone włókno pierwotne, które przybiera postać płótna, niedoprzędu, nici, lin i prętów wzmacnianych żywicami polimerowymi. W tym przypadku włókno węglowe nie wzmacnia samego wypełniacza jako całości, ale służy mu jako niezawodna, odporna na rozdarcie podstawa.

Ale jakie są zalety włókien węglowych i dlaczego należy je preferować zamiast mniej egzotycznych materiałów? Zacznijmy od tego, że pod względem właściwości fizycznych i chemicznych najbliższym konkurentem włókna węglowego jest włókno szklane, które jest dość rozpowszechnione w postaci włókna szklanego do prac tynkarskich wewnętrznych. Jednakże szkło ma znacznie niższą wytrzymałość na rozciąganie i jest cięższe, podczas gdy polimer węglowy jest nie tylko mocny, ale także znacznie lepiej przylega do otaczającego materiału stałego ze względu na wysoką przyczepność wewnętrzną.

Okładziny i wzmocniona w ten sposób konstrukcja charakteryzują się także zwiększoną wytrzymałością na ścinanie i skręcanie, co zawsze stanowiło istotny problem w przypadku stali, szkła i innych materiałów syntetycznych.

Nie jest to jednak pozbawione komplikacji. W szczególności przy wykańczaniu wnętrz budynków podnosi się kwestię bezpieczeństwa pożarowego włókna węglowego. W obecności tlenu wypala się już w temperaturze około 350–400°C, jednak „konserwowany” w środowisku pozbawionym powietrza zachowuje swoje właściwości nawet po podgrzaniu powyżej 1700°C. Wyższą odporność cieplną zapewniają włókno i jego pochodne pokryte różnego rodzaju węglikami – należy to wziąć pod uwagę przy wyborze materiału do prac wykończeniowych.

Zastosowanie w pracach wykończeniowych

Szeroka gama dekoracyjnych materiałów wykończeniowych wymaga podłoża, które jest absolutnie niepodatne na pękanie. Obejmuje to malowanie akrylowe, polimerowe wykładziny podłogowe, tynk wenecki i inne cienkie i delikatne kompozycje.

Jeśli problem ten nie jest szczególnie dotkliwy w przypadku fałszywych ścian wykonanych z płyt gipsowo-kartonowych, wówczas inne materiały wymagają specjalnego podejścia ze względu na bardziej wyraźną rozszerzalność liniową. Weźmy dla przykładu wzmocnienie i izolację połączeń jednowarstwowego poszycia z płyty OSB. Prawie każdy kit lub klej rozpadnie się wewnątrz szwu w ciągu roku lub dwóch.

Fugi takie należy wypełnić trwałym klejem polimerowym, a następnie pokryć sąsiednie krawędzie na 25-30 mm taśmą z cienkich nitek węglowych i ponownie przykryć warstwą szpachli, dokładnie wygładzając uszczelkę szpatułką.

W większości przypadków taka obróbka nie wymaga późniejszego wyrównania powierzchni. Poszycie przyjmuje wytrzymałość monolityczną, a powstałe naprężenia konstrukcyjne są w pełni kompensowane przez właściwości płyty OSB.

Podobną zasadę można zastosować przy wyrównywaniu ścian otynkowanych szpachlą akrylową. W tym przypadku włókno węglowe jest niekwestionowanym liderem w zakresie odporności na uderzenia i pękanie. Instalacja odbywa się analogicznie do włókna szklanego:

1. Najpierw cienka, ciągła powłoka powierzchni.
2. Następnie ułóż płótno i wygładź je.
3. Następnie możesz natychmiast rozpocząć ostateczne wyrównanie.

Płótno w żaden sposób nie odbija się na wyglądzie wykończonej powierzchni, ani przed wyschnięciem kompozycji, ani po.

Korzystanie z włókna węglowego

Zwiększenie wytrzymałości elementów nośnych budynków, odlewanych na miejscu lub w fabryce, możliwe jest poprzez dodanie włókna węglowego do ciekłej kompozycji wypełniacza. Włókno węglowe można już kupić w dość dużych ilościach, co zmniejszy grubość ścian, słupów i innych elementów konstrukcji betonowej poddawanych pionowym osiowym obciążeniom ściskającym. Dzięki temu zwalnia się dużo miejsca na izolację strukturalną lub izolację konstrukcji.

Materiał ten będzie szczególnie interesujący dla fanów podkładów palowo-grillowych, gdzie praca przędzy węglowej jest całkowicie wizualna. Kolumna zachowująca wytrzymałość na ściskanie 12–15 ton, przy uwzględnieniu wszystkich zalecanych marginesów bezpieczeństwa, ma grubość około 80 mm. Znajdują się w nim tylko dwie nitki polimerowego wzmocnienia, a po pozostałych dwóch stronach ułożone są pasma niedoprzędu węglowego.

Ile włókna węglowego potrzeba do wzmocnienia betonu? Wcale nie, tylko 0,05–0,12% masy gotowych wyrobów betonowych. Stężenie może być wyższe, jeśli mówimy na przykład o konstrukcjach hydraulicznych lub betonowych kratownicach stropowych.

Zewnętrzne systemy zbrojenia

Konstrukcja wzmocniona włóknem węglowym jest na tyle mocna, że ​​można ją stosować nawet jako wzmocnienie obręczy elementów mocno obciążonych konstrukcji. Od wysokich budynków mieszkalnych po prefabrykowane konstrukcje ramowe, zewnętrzny pas wzmacniający zapewnia niespotykaną dotąd odporność na przeciążenia eksploatacyjne.

Konkluzja jest taka, że ​​rdzeń samego elementu, zawierający wbudowane zbrojenie, jest odlany w zwykły sposób, ale z minimalną ochronną warstwą betonu po bokach. Po usunięciu szalunku produkt, czy to kolumna, czy pas wzmacniający, owijany jest warstwą tkaniny węglowej lub grubej nici, a następnie wypełniany piaskiem betonowym zawierającym włókna. Takie podejście eliminuje potrzebę stosowania ciężkiego betonu granitowego, jednocześnie w pełni dziedzicząc jego właściwości wytrzymałościowe. Co więcej, nawet minimalna warstwa betonu zbrojonego węglem znacznie zmniejsza korozję osadzonego zbrojenia.

Szczególnym przypadkiem wzmocnienia zewnętrznego można nazwać złącza wklejane za pomocą klap lub taśmy wykonanej z włókna węglowego, tkaniny węglowej z towarzyszącą impregnacją żywicami epoksydowymi. Takie połączenie wykazuje trzykrotnie większą wytrzymałość niż konwencjonalne, co jest nieocenione w systemach krokwiowych, a zwłaszcza przy mocowaniu kratownic do Mauerlat.

Materiały węglowe i materiały z włókien karbonizowanych. Konstrukcyjne tkaniny węglowe 3k, 6k, 12k, 24k, 48k, produkcja i dostawa. Tkaniny izolujące z włókna węglowego. do ochrony termicznej różnego rodzaju urządzeń, w tym ekranów i zasłon ochronnych. Taśmy węglowe, w tym foliowe taśmy węglowe. Przewody odporne na wysoką temperaturę w oplocie węglowym. Filamenty węglowe, produkcja i dostawa.

Ogólne informacje o włóknie węglowym

Wiele włókien polimerowych nadaje się do produkcji włókna węglowego. Przedsiębiorstwa grupy IFI Technical Production wykorzystują do produkcji włókien węglowych włókno poliakrylonitrylowe (PAN). W tej części witryny rozważymy tylko dwa rodzaje włókna węglowego i produkty z nich wykonane. Nie bierzemy pod uwagę włókien grafitowanych, ponieważ produkty te znajdują się w osobnej sekcji na naszej stronie internetowej.
I tak, zgodnie z właściwościami fizycznymi, włókno węglowe dzieli się na włókna węglowe o wysokiej wytrzymałości (węglowe) i włókna węglowe ogólnego przeznaczenia (karbonizowane).

Te dwa rodzaje przędzy bardzo różnią się wyglądem. Na zdjęciu po prawej, pod numerem 1, przędza wykonana jest z włókna węglowego o dużej wytrzymałości na rozciąganie 12k, czyli przędzy składającej się z 12 000 ciągłych włókien. Numerowana 2, karbonizowana przędza do ogólnego użytku. Jest to skręcona karbonizowana nić wykonana z dwóch lub więcej włókien o długości od 25 mm do 100 mm.

Jest to przędza węglowa (karbonizowana) ogólnego przeznaczenia stosowana do produkcji dławnic węglowych.

Karbonizowane włókna węglowe

Włókno karbonizowane produkowane jest w dwóch głównych etapach:

1. Włókno PAN utlenia się w temperaturze +150°C ~ +300°C.

2. Utlenione włókno PAN ulega karbonizacji w środowisku azotu w temperaturze +1000°C ~ +1500°C

Włókno karbonizowane ogólnego przeznaczenia wykorzystywane jest głównie do produkcji wyrobów termoizolacyjnych oraz wyrobów takich jak tkaniny, taśmy i sznury. Tkaniny karbonizowane służą do izolacji wysokotemperaturowej. Stanowi doskonałą ochronę termiczną w różnorodnych zastosowaniach przemysłowych. Tkanina karbonizowana stosowana jest jako materiał amortyzujący lub jako uzwojenie elementów konstrukcyjnych, rurociągów itp. Tkanina karbonizowana stosowana jest w postaci ekranów ochronnych i zasłon. Produkty wykonane z włókna karbonizowanego działają w temperaturach od -100°C do +450°C.

Tkaniny karbonizowane są doskonałym nowoczesnym zamiennikiem tkanin z włókna szklanego. W przeciwieństwie do produktów z włókna szklanego, tkanina karbonizowana nie powoduje podrażnień błony śluzowej, nie powoduje swędzenia skóry, tkanina karbonizowana, sznurki, taśmy są całkowicie nieszkodliwe dla ludzi. Zawartość węgla we włóknach karbonizowanych sięga 90%. Włókna karbonizowane mają dobrą odporność chemiczną, są funkcjonalne w prawie wszystkich środowiskach, z wyjątkiem silnie stężonych kwasów, w tym: azotowego (azotowego), ortofosforowego (ortofosforowego), siarkowego (siarkowego), siarkowego (siarkowego), solnego (slorowodorowego), szczawiowego ( szczawiowy) ) oraz w innych środowiskach, których wartość pH jest mniejsza niż 2, tj. pH

Włókna węglowe

Aby uzyskać wysokomodułowe włókno węglowe, włókna karbonizowane poddaje się obróbce cieplnej w temperaturze około +2500°C. Z włókna węglowego wytwarza się specjalną przędzę o zwiększonej wytrzymałości, która wykorzystywana jest do produkcji przedmiotów i wyrobów specjalnych. Jedną z głównych wartości charakteryzujących przędzę węglową (węglową) jest współczynnik k, który wyraża liczbę elementarnych włókien ciągłych w przędzy. 1k=1000 włókien. Najpopularniejsze włókna to 1k, 3k, 6k, 12, 24k i 48k. Współczynnik k oznacza wyłącznie włókna węglowe, natomiast inne parametry opisują właściwości i właściwości włókien karbonizowanych ogólnego przeznaczenia.

Jednym z głównych produktów wykonanych z wysokomodułowego włókna węglowego jest strukturalna tkanina węglowa. Tkaniny węglowe (węglowe) służą do wzmacniania materiałów kompozytowych przy produkcji tworzyw sztucznych wzmacnianych włóknem węglowym. Tworzywa z włókna węglowego na bazie żywic i tkaniny węglowej charakteryzują się dużą odpornością na korozję i różnego rodzaju odkształcenia, co pozwala na wytwarzanie bardzo skomplikowanych wyrobów o praktycznie zerowym współczynniku rozszerzalności liniowej. Tworzywa sztuczne wzmocnione włóknem węglowym zmniejszają wagę konstrukcji średnio o 30%. Ponadto włókno węglowe jest materiałem przewodzącym.
Oprócz tkanin z wysokomodułowych włókien węglowych produkowane są specjalne taśmy, sznury, papier i inne produkty dla wielu gałęzi przemysłu.

Karbonizowana tkanina węglowa RK-300

Jako izolacja wysokotemperaturowa stosowana jest karbonizowana tkanina węglowa RK-300. Stanowi doskonałą ochronę termiczną w różnorodnych zastosowaniach przemysłowych i może być stosowany jako materiał amortyzujący lub jako uzwojenie, a także w postaci ekranów i zasłon ochronnych.

Tkanina karbonizowana RK-300 to nowoczesny zamiennik włókna szklanego i innych tkanin termoizolacyjnych, w tym azbestu. W przeciwieństwie do włókna szklanego, tkanina karbonizowana nie podrażnia błon śluzowych dróg oddechowych i nie powoduje swędzenia skóry. W porównaniu do tkaniny azbestowej tkanina karbonizowana RK-300 jest całkowicie bezpieczna dla człowieka, ponadto charakteryzuje się nieporównywalnie dłuższą żywotnością, doskonałą odpornością chemiczną oraz możliwością wielokrotnego użycia ze względu na swoje unikalne właściwości.

Opcje:

Szerokość ostrza: 1000mm

Grubość: 1,6 mm ~ 5,0 mm

Gęstość: 520 ~ 560 g/m²

Splot: gładki

Uwaga: Drodzy koledzy, drodzy partnerzy! Wszystkie produkty i produkty z karbonizowanego włókna węglowego mogą być wykonane z włókna węglowego o wysokiej wytrzymałości i wysokim module sprężystości. Na zamówienie istnieje również możliwość wykonania tkaniny termoizolacyjnej RK-300 z wysokomodułowego włókna węglowego – tkaniny RK-300H. Parametry tkaniny z włókna węglowego RK-300H. Szerokość ostrza: 1000 mm ~ 1500 mm; Grubość: 1,0 mm ~ 6,0 mm; Gęstość: g/m? w zależności od grubości; Temperatura pracy: -100°С +1200°С

Karbonizowana tkanina węglowa z jednostronną powłoką aluminiową RK-300AF

Tkanina karbonizowana RK-300AF to nowoczesna, wysoce niezawodna przemysłowa izolacja termiczna. Doskonały zamiennik tkanin z włókna szklanego i azbestu. W przeciwieństwie do tkanin z włókna szklanego i azbestu, tkanina karbonizowana jest całkowicie nieszkodliwa.

Jednostronne nałożenie aluminium na karbonizowaną tkaninę nadaje jej jeszcze lepsze właściwości termoizolacyjne. Warstwa aluminium na tkaninie stanowi ekran termiczny, który odbija wysoką temperaturę, jeśli tkanina jest używana jako kurtyna termiczna. Jednocześnie przy zastosowaniu RK-300AF jako uzwojenia termoizolacyjnego warstwa aluminium zapewnia utrzymanie stabilnej temperatury wewnątrz izolowanego układu.

Opcje:

Szerokość ostrza: 1000mm

Grubość: 1,6 mm ~ 5,0 mm

Gęstość: 520 ~ 560gsm?

Temperatura pracy: -100°С +450°С

Splot: gładki

Uwaga: Tekstylny RK-300HAF

Karbonizowana taśma węglowa

Taśmy termoizolacyjne wykonane z karbonizowanego włókna węglowego są doskonałym, nowoczesnym zamiennikiem taśm azbestowych i taśm szklanych. Taśmy węglowe znacznie przewyższają taśmy azbestowe i taśmy z włókna szklanego pod względem właściwości fizycznych i mechanicznych, a także mają szerszy zakres odporności chemicznej. Ponadto taśmy karbonizowane są całkowicie bezpieczne dla człowieka i przyjazne dla środowiska. Taśmy karbonizowane węglowo stosowane są do izolacji termicznej tras kablowych, elementów przyrządów i maszyn, rurociągów oraz innych instalacji i urządzeń pracujących w temperaturach do +450°C.

Produkujemy 2 rodzaje taśm karbonizowanych:

Taśma RK-300T to karbonizowana taśma węglowa bez powłoki.

Taśma RK-300TAF to karbonizowana taśma węglowa z cienką warstwą aluminium nałożoną jednostronnie.

Opcje:

• Szerokość ostrza: 5,0 mm ~ 1000 mm
• Grubość: 1,6 mm ~ 5,0 mm
• Gęstość: 520 ~ 560gsm?
• Temperatura pracy: -100°С +450°С
• Splot: gładki

Wstążki RK-300THAF i RK-300TH wykonane z włókna węglowego o wysokiej wytrzymałości i wysokim module sprężystości. Temperatura pracy: -100°C +1200°C.

Linka węglowa w oplocie RK-300RS

Linki węglowe są wykonane zarówno z karbonizowanego włókna węglowego ogólnego przeznaczenia, jak i włókna węglowego o wysokim module sprężystości. Sznury produkowane są metodą tkacką o przekroju okrągłym i kwadratowym. Linki węglowe mogą być wykonane metodą oplatania przelotowego, a także z zastosowaniem jednowarstwowego lub wielowarstwowego oplotu rdzeniowego. Przy produkcji sznurków, aby uzyskać wymagane właściwości produktu końcowego, łącznie z przędzą węglową można stosować inne rodzaje przędz, m.in. przędzę ceramiczną, aramidową, czy z włókna szklanego.

Sznury węglowe są stosowane jako ognioodporne, żaroodporne i żaroodporne uszczelnienia w wielu zastosowaniach przemysłowych. Sznury węglowe znacznie przewyższają podobne produkty wykonane z innych rodzajów włókien pod niemal wszystkimi wskaźnikami fizycznymi, mechanicznymi i technicznymi, ponadto sznury wykonane z włókna węglowego o wysokim module są całkowicie obojętne chemicznie, ich kwaśny wskaźnik pH mieści się w przedziale 0 ~14, co pozwala na ich stosowanie w środowiskach wszelkich stężonych kwasów i zasad.

Ponadto, w przeciwieństwie do sznurków z włókna szklanego, które emitują drobny pył szklany, który podrażnia błony śluzowe oczu, zatok, podniebienia i powoduje swędzenie skóry, sznurki węglowe są całkowicie nieszkodliwe. Obciążenie zrywające kordów z włókna węglowego o wysokim module jest zdecydowanie najlepsze.

Kordy węglowe stanowią również podstawę do produkcji uszczelnień dławnicowych o unikalnych właściwościach do zastosowania w niemal wszystkich gałęziach przemysłu.

Opcje:

• Temperatura pracy: +280°C~+1200°C
• Rozmiary sekcji: O4mm ~ O50,0mm i 4,0mmx4,0mm do 70,0mmx70,0mm

Tkaniny konstrukcyjne z włókna węglowego

Strukturalne tkaniny węglowe wykonane są z przędzy z włókna węglowego o wysokim module sprężystości. Do produkcji węglowych tkanin konstrukcyjnych stosuje się przędze o współczynniku 1k, 3k, 6k, 12, 24k i 48k, gdzie k jest liczbą elementarnych włókien ciągłych w przędzy. 1k=1000 włókien.

Głównym obszarem zastosowania tkanin wysokomodułowych z włókna węglowego jest warstwa wzmacniająca przy produkcji termoizolacyjnych, chemoodpornych materiałów kompozytowych, a także wypełniacze przy produkcji tworzyw sztucznych z włókna węglowego.

Tkaniny z włókna węglowego powstają w oparciu o różne rodzaje splotów, w zależności od ich dalszego przeznaczenia. Istnieją trzy główne rodzaje tkania tkanin węglowych:

• Najpopularniejszym splotem jest splot płócienny, opisuje się go następująco: 1/1. W tkaniu płóciennym każda nitka osnowy jest przeplatana jedną po drugiej nitką wątku. Ten rodzaj tkania zapewnia najlepszą wytrzymałość tkaniny.
• Tkanina o splocie satynowym. Tę metodę tkania opisano następująco: 4/1, 5/1 - 1 nitka wątku zachodzi na 4, 5 nitek osnowy. Tkaniny wykonane metodą splotu satynowego są najmniej trwałe, dlatego są to tkaniny bardzo gęste. Ponieważ nitki osnowy i wątku rzadko wyginają się w splocie atłasowym, powierzchnia takich tkanin jest równa i gładka.
• Metoda tkania skośnego lub skośnego. Ten rodzaj tkania opisuje się następująco: 2/1, 2/2, 3/1, 3/2... - liczba nitek osnowy objętych liczbą nitek wątku. Tkanie diagonalne można łatwo rozpoznać wizualnie po ukośnych paskach na powierzchni tkaniny.

Poniższa tabela przedstawia główne cechy standardowych tkanin węglowych. Włókno węglowe stosowane w tych tkaninach pochodzi z włókien poliakrylonitrylowych (PAN).

Marka tkaniny	Zawartość węgla	Moduł sprężystości E, GPa	Wydłużenie,%	Gęstość liniowa, g/1000m	Gęstość, g/cm?
RK-301	98,5	3800	210	1,5	100	1,76
RK-303	98,5	3900	215	1,6	187	1,76
RK-306	98,5	3600	206	1,5	360	1,76
RK-312	98,5	3400	209	1,6	729	1,76

mi- moduł Younga lub moduł sprężystości - współczynnik charakteryzujący odporność materiału na rozciąganie i ściskanie podczas odkształcenia sprężystego. Dla jasności dodajemy, że moduł sprężystości E dla stali wynosi od 195 GPa do 205 GPa, a dla włókna szklanego od 95 GPa do 100 GPa. Moduł sprężystości grafitowanego włókna węglowego wynosi aż 677 GPa, natomiast drut wolframowy ma współczynnik E równy 420 GPa.

Parametry standardowych strukturalnych tkanin z włókna węglowego:

• Szerokość: 1000 mm ~ 2000 mm. Maksymalna szerokość na zamówienie wynosi 2000 mm.
• Grubość: 0,25 mm ~ 3,0 mm
• Gęstość: 100 g/m? ~ 640 g/m?
• Szerokość ostrza: 1000mm
• Temperatura: do +1200°C
• Zawartość węgla: >98,5%

Istnieje możliwość wyprodukowania tkanin z włókna węglowego o parametrach niestandardowych.

Długość nawoju na rolkę - na zamówienie. Tkanina pakowana jest w pudełka foliowe i kartonowe.

Marki tkanin węglowych i ich oznaczenie

Wszystkie tkaniny węglowe produkowane przez przedsiębiorstwa holdingu Produkcja Techniczna IFI posiadają w nazwie litery RK, oznaczające znak towarowy producenta RK™ oraz indeks 300. Przykładowo tkanina konstrukcyjna carbon carbon wykonana jest z przędzy 6k, czyli z przędzy zawierającej 6000 włókna ciągłe, ma oznaczenie RK-306. Tkanina węglowa wykonana z przędzy 3k lub 12k, odpowiednio RK-303 i RK-312.

Zapytanie o dostawę tkanin węglowych

Drodzy koledzy! Możesz kupić tkaniny węglowe w dowolny dogodny dla Ciebie sposób. Oferujemy następujące opcje:

• Zakup produktów bezpośrednio z fabryki w Chinach. Zawierasz bezpośrednią umowę z fabryką i pracujesz niezależnie. W tym celu należy wysłać zapytanie na adres: Ten adres e-mail jest chroniony przed robotami spamującymi. Aby go zobaczyć, musisz mieć włączoną obsługę JavaScript. Wyślemy Ci dane kontaktowe, w tym numer telefonu i adres e-mail pracownik fabryki odpowiedzialny za eksport.
• Zakup produktów za pośrednictwem rosyjskiego przedstawicielstwa holdingu IFI Technical Production, za pośrednictwem firmy Rus-Kit. Transakcja odbywa się na podstawie umowy dostawy zawartej pomiędzy Twoją organizacją a firmą Rus-Kit. W tym przypadku Rus-Kit bierze na siebie wszystkie kwestie związane z organizacją dostawy i odprawą celną towarów. W tym celu należy również wysłać zapytanie na adres e-mail: Ten adres e-mail jest chroniony przed robotami spamującymi. W przeglądarce musi być włączona obsługa JavaScript, żeby go zobaczyć.

Drodzy koledzy, drodzy partnerzy!: W przypadku wszystkich pytań, którymi jesteście zainteresowani, dotyczących tkanin węglowych, a także innych produktów z włókna węglowego, prosimy o kontakt e-mailowy.Ten adres e-mail jest chroniony przed robotami spamującymi. Aby go zobaczyć, musisz musi mieć włączoną obsługę JavaScript W przypadku zapytań w języku angielskim lub chińskim użyj adresu e-mail Ten adres e-mail jest chroniony przed robotami spamującymi Aby go zobaczyć, musisz mieć włączoną obsługę JavaScript

Obecnie opracowano i uprzemysłowiono dużą liczbę włókien węglowych o różnym przeznaczeniu, składzie i właściwościach. Markowy asortyment opiera się przede wszystkim na rodzaju włókna wyjściowego przy pozyskiwaniu węgla, czystości surowców, technologii przetwarzania włókien wyjściowych, końcowej temperaturze przetwarzania (od której zależy doskonałość struktury węgla i jego właściwości), wymagana tekstura przemysłowych form węgla i ich przeznaczenie.Asortyment włókien węglowych jest dość szeroki i zróżnicowany, o czym decyduje rodzaj i skład surowca, jego zdolność do ulegania przemianom termicznym podczas ogrzewania oraz warunki (reżimy, środowisko ) do przeprowadzania przemian termicznych przy produkcji włókien węglowych. W oparciu o elementarne włókna węglowe otrzymuje się różne formy tekstylne, które wykorzystywane są jako materiały z włókien węglowych (CFM), jako komponenty do produkcji materiałów kompozytowych lub jako samodzielne materiały (produkty). Gama markowych materiałów z włókna węglowego jest zdeterminowana przede wszystkim przeznaczeniem i zapotrzebowaniem tego typu materiału na produkty nowoczesnych technologii. Firmy produkujące włókna węglowe z reguły specjalizują się w produkcji kilku rodzajów materiałów z włókna węglowego, ale na jednym rodzaju surowca. Na przykład firmy Hercules, UCC, Celanese, HITOCO, Great Lakes Carbon, Stackpole Carbon Fibres (USA) produkują CFM na bazie włókien PAN; Tore, Toho Besoon, Nihon Kabon, Asahi Nihon Kabon faiba, Mitsubishi Reyon, Sumitomo Kagaku (Japonia). Firma Union Carbite produkuje CFM na bazie PAN, GC i paków. Producentem CFM na bazie paków konwencjonalnych są firmy Kureha Kagaku (Japonia), Courtlands (Wielka Brytania) i Serofim (Francja).

Właściwości włókien węglowych

Właściwości tworzyw sztucznych wzmacnianych włóknami węglowymi zależą od właściwości włókien węglowych, które z kolei są zdeterminowane warunkami pirolizy włókien organicznych (hydrat celulozy, poliakrylonitryl, włókna ze paków mezofazowych) stosowanych obecnie jako surowce do produkcji włókien węglowych .

Właściwości mechaniczne. Moduł sprężystości przy rozciąganiu (wzdłuż włókien) wysokiej jakości włókien węglowych o wysokiej wytrzymałości (na bazie PAN) wynosi 200 - 250 GPa, typu wysokomodułowego (na bazie PAN) - około 400 GPa, a włókna węglowe na bazie cieczy pak krystaliczny: 400 - 700 GPa. W tej samej temperaturze ogrzewania włókna węglowe na bazie paków ciekłokrystalicznych mają wyższy moduł sprężystości przy rozciąganiu niż włókna na bazie PAN. Moduł sprężystości przy rozciąganiu włókien (moduł sztywności przy zginaniu) zmniejsza się wraz ze wzrostem modułu sprężystości przy rozciąganiu wzdłuż włókien. Dla włókien węglowych na bazie PAN jest ona wyższa niż dla włókien na bazie paków ciekłokrystalicznych. Na poprzeczny moduł sprężystości wpływa również orientacja płaszczyzn atomowych w przekroju poprzecznym włókna węglowego. Osiowa wytrzymałość na rozciąganie wysokowytrzymałych włókien węglowych na bazie PAN wynosi 3,0–3,5 GPa, włókna o wysokim wydłużeniu wynoszą ~ 4,5 GPa, a włókna o wysokim module sprężystości wynoszą 2,0–2,5 GPa. Obróbka wysokotemperaturowa drugiego rodzaju włókien pozwala uzyskać włókna o wysokim module sprężystości i wytrzymałości na rozciąganie około 3 GPa. Wytrzymałość włókien opartych na pakach ciekłokrystalicznych wynosi zwykle 2,0 GPa. Teoretyczna wartość wytrzymałości na rozciąganie kryształów grafitu w kierunku płaszczyzn sieci atomowej wynosi 180 GPa. Zmierzona doświadczalnie wytrzymałość na rozciąganie wysokowytrzymałych i wysokomodułowych włókien węglowych na bazie PAN w przekroju o długości 0,1 mm wynosi 9-10 GPa, co stanowi 1/20 wartości teoretycznej i 1/2 wytrzymałości grafitu włókienkowego monokryształy. Dla włókien węglowych na bazie paków ciekłokrystalicznych wytrzymałość mierzona w podobny sposób wynosi 7 GPa. Tabele 17.1, 17.2 przedstawiają właściwości mechaniczne najpopularniejszych włókien węglowych.

Niższa wytrzymałość włókien węglowych produkowanych przemysłowo wynika z faktu, że nie są one monokryształami i występują znaczne odchylenia od regularności w ich mikroskopijnej strukturze. Właściwości włókien węglowych można znacznie poprawić aż do wydłużenia przy zerwaniu wynoszącego 2% i wytrzymałości 5 GPa i więcej.

Tabela 17.1 - Właściwości mechaniczne włókna węglowego.

Charakterystyka	CF na bazie PAN			Oparty na HC ciekłokrystaliczne paky
	wysoka wytrzymałość	duże wydłużenie	wysoce modułowy
Średnica włókna, nm
Moduł sprężystości przy rozciąganiu, GPa
Naprężenie rozciągające zrywające, GPa
Wydłużenie przy rozciąganiu,%
Gęstość, g/cm3
Specyficzna siła, m.in

Tabela 17.2 - Właściwości fizyczne i mechaniczne włókien węglowych.

Oryginalny błonnik	Średnica, µm	Gęstość, g/cm 3	Naprężenie rozciągające zrywające, MPa	Moduł sprężystości przy rozciąganiu, E, GPa	Forma jądra
Poliakrylonitryl					Ciągła opaska uciskowa
Wiskoza					Ciągła opaska uciskowa

Jak widać z tabel, włókna węglowe charakteryzują się małą gęstością, a dużą wytrzymałością na rozciąganie i modułem sprężystości. W rezultacie włókna węglowe charakteryzują się dużą wytrzymałością i specyficznym modułem sprężystości. Najbardziej charakterystyczną cechą włókien węglowych jest ich wysoki moduł sprężystości właściwej. Dzięki temu możliwe jest z powodzeniem wykorzystanie włókien węglowych do wzmacniania materiałów do celów konstrukcyjnych. Porównując włókna wysokomodułowe z włóknami niskomodułowymi o podobnym składzie chemicznym należy zauważyć, że wraz ze wzrostem modułu sprężystości i gęstości włókien węglowych zmniejsza się objętość zamkniętych porów, średnia średnica i powierzchnia właściwa, a poprawia się przewodność elektryczna.

Właściwości elektryczne. Wzrost modułu sprężystości wraz ze spadkiem kąta tekstury oznacza, że ​​struktura włókna węglowego zbliża się do struktury grafitu, który ma przewodność metaliczną w kierunku warstwy sześciokątnej. Włókna węglowe otrzymane w temperaturach nie niższych niż 1000°C mają wysoką przewodność elektryczną (powyżej 102 Ohm -1 -cm -1). Zmieniając moduł sprężystości, a co za tym idzie właściwości elektryczne napełniacza węglowego, można regulować właściwości elektryczne materiału kompozytowego.W procesie przetwarzania włókien organicznych na włókna węglowe następuje przejście przez wszystkie pasma przewodnictwa. Pierwotne włókna są dielektrykami, podczas karbonizacji opór elektryczny gwałtownie maleje, następnie wraz ze wzrostem temperatury przetwarzania powyżej 1000 o C, choć nadal maleje, jest już mniej intensywny. Włókna karbonizowane klasyfikuje się jako półprzewodniki ze względu na rodzaj przewodności, podczas gdy włókna grafitowane obejmują cały zakres od półprzewodników po przewodniki, zbliżając się do tego ostatniego wraz ze wzrostem temperatury przetwarzania. W przypadku włókien węglowych o zależności przewodności od temperatury decyduje końcowa temperatura ich przetwarzania, a co za tym idzie, stężenie elektronów i wielkość krystalitów.

Należy zauważyć, że im wyższa temperatura karbonizacji, tym niższy współczynnik temperaturowy przewodności elektrycznej. Włókna węglowe mają dziury i przewodnictwo elektroniczne. Wraz ze wzrostem temperatury, czemu towarzyszy poprawa struktury i wzrost liczby elektronów, pasmo wzbronione przewodnictwa maleje, a co za tym idzie, wzrasta przewodność elektryczna, która dla włókien obrabianych w wysokich temperaturach zbliża się w wartości bezwzględnej do przewodności elektrycznej przewodników.

Właściwości termiczne. Jednym z przejawów cech anizotropowej struktury wysokomodułowych włókien węglowych jest ujemny współczynnik liniowej rozszerzalności cieplnej wzdłuż osi włókna, co zwiększa poziom naprężeń własnych we włóknach wysokomodułowych. W przypadku włókna o dużym module sprężystości współczynnik ma wyższą wartość bezwzględną i ma wartość ujemną w szerszym zakresie temperatur. Zatem dla włókien węglowych wykonanych z włókna PAN (rysunek 17.11) maksymalną (w wartości bezwzględnej) wartość współczynnika obserwuje się w temperaturze 0°C, a wraz ze wzrostem temperatury jego znak zmienia się na przeciwny (w temperaturach powyżej 360°C dla włókno z mi= 380 GPa i powyżej 220°C dla włókien z mi= 280 GPa. Należy zauważyć, że krzywa na rysunku 3.11 dobrze pokrywa się z podobną zależnością współczynnika rozszerzalności cieplnej sieci grafitu pirolitycznego wzdłuż osi A.

Ze względu na wysoką energię wiązania CC włókna węglowe pozostają stałe w bardzo wysokich temperaturach, co zapewnia materiałowi kompozytowemu wysoką odporność temperaturową. Krótkoterminowa wytrzymałość na rozciąganie włókna o wysokim module sprężystości zawierającego 99,7% wag. % węgla pozostaje praktycznie niezmieniony w środowiskach neutralnych i redukujących do 2200 °C. Nie zmienia się również w niskich temperaturach. W środowisku utleniającym wytrzymałość włókna węglowego pozostaje niezmieniona aż do 450°C. Powierzchnia włókna jest zabezpieczona przed utlenianiem odpornymi na działanie tlenu powłokami ochronnymi wykonanymi ze związków ogniotrwałych lub żaroodpornych spoiw; Najpowszechniej stosowane są powłoki pirolityczne.

Rysunek 17.11 - Zależność współczynnika liniowej rozszerzalności cieplnej

wzdłuż włókien dla włókien węglowych o module sprężystości 380 (1)

i 280 GPa (2) od temperatury..

Właściwości chemiczne. Włókna węglowe różnią się od innych wypełniaczy obojętnością chemiczną. Odporność chemiczna włókien węglowych zależy od końcowej temperatury przetwarzania, struktury i powierzchni włókna oraz rodzaju i czystości surowca. Po ekspozycji włókien wysokomodułowych otrzymanych z włókna PAN na działanie agresywnych cieczy przez 257 dni w temperaturze pokojowej zauważalny spadek wytrzymałości na rozciąganie obserwuje się dopiero pod działaniem kwasów ortofosforowego, azotowego i siarkowego (tabela 17.3).

Tabela 17.3 - Odporność chemiczna w środowiskach agresywnych węglowodorów o wysokim module na bazie PAN (czas trwania ekspozycji 257 dni).

Odczynniki	Temperatura, °C	Średnica włókna, nm	σ R , MPa	mi R , GPa
Kontrolna próbka włókna
Kwas (50%):
Węgiel
Ortofosforowy
Lody octowe
Roztwór wodorotlenku sodu,

Moduł sprężystości próbek zmienia się dopiero pod wpływem 50% roztworu kwasu azotowego. Wytrzymałość alkalicznego włókna szklanego po ekspozycji przez 240 godzin w 5% roztworach kwasu siarkowego lub azotowego zmniejsza się odpowiednio o 41 i 39%. Wraz ze wzrostem temperatury maleje odporność włókna węglowego na agresywne środowisko.

Utlenia się szczególnie łatwo w roztworach kwasu azotowego. Roztwór chlorowodorku sodu utlenia węgiel, w wyniku czego zmniejsza się średnica włókna, a nawet nieco poprawiają się jego właściwości mechaniczne.

Ze względu na stopień aktywności w stosunku do wysokomodułowego włókna węglowego otrzymanego z włókna PAN, kwasy można uszeregować w następujący szereg: HNO 3 > H 2 S0 4 > H 3 P0 4 > HC1. Kwasy octowy, mrówkowy i roztwory zasad o dowolnym stężeniu i w dowolnej temperaturze nie niszczą włókien węglowych. Odporność chemiczna włókien węglowych zapewnia stabilność właściwości materiałów kompozytowych na ich bazie.

Wady i zawilgocenie. Pirolizie włókien organicznych towarzyszy wzrost ich porowatości. Wysokomodułowe włókna węglowe mają wydłużone pory i różnią się od niskomodułowych włókien węglowych orientacją rowków i pęknięć wzdłuż osi włókna oraz ich mniejszą koncentracją na powierzchni. Podobno podczas ciągnienia następuje wygładzenie niektórych defektów powierzchni, co jest szczególnie skuteczne podczas obróbki włókien w wysokiej temperaturze. Pory na powierzchni włókien węglowych mają różną wielkość. Duże pory o średnicy kilkuset angstremów wypełniane są spoiwem podczas formowania materiału kompozytowego, co powoduje wzrost siły przylegania spoiwa do wypełniacza. Większość porów na powierzchni włókien ma średnicę kilkudziesięciu angstremów. Do tak małych wnęk mogą przedostać się jedynie niskocząsteczkowe składniki spoiwa, a na powierzchni wypełniacza następuje redystrybucja spoiwa przez sito molekularne, zmieniając jego skład.

Zwilżalność włókien przez spoiwa stosowane do produkcji tworzyw z włókna węglowego ma duży wpływ na ich właściwości. W przeciwieństwie do włókien szklanych energia powierzchniowa włókien węglowych jest bardzo niska, przez co włókna są słabo zwilżane przez spoiwa, a tworzywa sztuczne wzmacniane włóknami węglowymi charakteryzują się niską siłą przyczepności pomiędzy wypełniaczem a spoiwem. Siła przyczepności włókien do spoiwa wzrasta, jeśli najpierw na powierzchnię włókien nałoży się cienką warstwę monomeru, dobrze ją zwilżając i wypełniając wszystkie pory. W wyniku polimeryzacji monomeru włókno zostaje pokryte cienką warstwą polimeru – protektora, „uszczelniającego” jego defekty powierzchniowe. Następnie wypełniacz łączy się z wybranym spoiwem, wyrób formuje się, a tworzywo utwardza ​​się według standardowego reżimu.

Obecnie zaproponowano kilka kolejnych metod zwiększania siły przyczepności włókna węglowego do spoiwa, których skuteczność ocenia się poprzez zwiększenie wytrzymałości materiału kompozytowego na ścinanie:

Usuwanie filmu smarnego z powierzchni włókien węglowych po obróbce tekstyliów;

Trawienie powierzchni włókien węglowych środkami utleniającymi;

Wykańczanie włókien węglowych;

Rosnące kryształy w kształcie wąsów o dużej odporności na ścinanie na powierzchni włókien (vorseryzacja lub wisceracja).

W niektórych przypadkach stosuje się kilka metod przetwarzania po kolei.

Stosowanie wysokomodułowych włókien węglowych jest najbardziej radykalną metodą zwiększania wytrzymałości na ścinanie tworzyw sztucznych wzmacnianych włóknami węglowymi. Proporcjonalnie do zawartości objętościowej wąsów na włóknie wzrasta nie tylko wytrzymałość na ścinanie, ale także wytrzymałość na ściskanie i zginanie w kierunku poprzecznym, dzięki dodatkowemu wzmocnieniu osnowy kryształami o wysokich właściwościach mechanicznych (np. -Wąsy SiC wynoszą 7-20 GPa przy module sprężystości około 50 GPa). Przy dużej zawartości wąsów na włóknie (ponad 4-7%) pogarszają się właściwości wytrzymałościowe i elastyczne tworzywa sztucznego. W niektórych przypadkach spadek wytrzymałości plastycznej wiąże się z utratą wytrzymałości włókna węglowego podczas worseryzacji. Tabela 17.4 pokazuje, jak właściwości tworzyw sztucznych wzmocnionych włóknem węglowym zależą od sposobu przygotowania powierzchni włókna węglowego.

Tabela 17.4 - Wpływ różnych rodzajów przygotowania powierzchni włókien wysokomodułowych na właściwości jednokierunkowego tworzywa sztucznego wzmocnionego włóknem węglowym epoksydowym.

Sposób przygotowania powierzchni włókien węglowych	Gęstość, g/cm 3	Naprężenie niszczące, MPa, przy		Moduł sprężystości, GPa
		zmiana	schylać się
Włókno ze środkiem smarującym
Trawienie w HNO 3
Wypalenie smaru w azocie i impregnacja żywicą epoksydową
Pogorszenie wąsy z węglika krzemu

Zdolność włókien węglowych zawierających taką samą ilość węgla (co najmniej 99% mas.) do worseryzacji z fazy gazowej wzrasta wraz ze spadkiem ich odporności na utlenianie, co jest proporcjonalne do stężenia defektów powierzchniowych.

Właściwości fizyczne włókna węglowe zależą od ich tła (warunków karbonizacji i grafityzacji), a niektóre wskaźniki od charakteru i jakości surowców. Wiele właściwości włókien węglowych zależy od końcowej temperatury przetwarzania, ale inne czynniki mogą również mieć znaczący wpływ. Tabela 17.5 przedstawia najbardziej typowe właściwości fizyczne włókien węglowych.

Gęstość grafitu wynosi 2,26 g/cm 3, znacznie przewyższa gęstość włókna węglowego, co wynika z mniej doskonałej struktury tego ostatniego. Spośród włókien żaroodpornych węgiel ma najniższą gęstość; ma to korzystny wpływ na specyficzne właściwości mechaniczne włókna. Włókna grafitowe mają małą powierzchnię właściwą.

Tabela 17.5 - Właściwości fizyczne włókien węglowych.

Charakterystyka	Błonnik
	gazowane	grafityzowane
Gęstość, kg/m 3
Powierzchnia właściwa, m 2 /g
Współczynnik temperaturowy rozszerzalności liniowej, 10 6 / K
Ciepło właściwe, kJ/kg K
Przewodność cieplna, W/(m·K)
Rezystywność elektryczna, 10 -5 omów m
Styczna strat dielektrycznych (przy 10 10 Hz)
Higroskopijność,%

Powierzchnia właściwa włókien karbonizowanych, w zależności od warunków ich produkcji i rodzaju użytych surowców, może zmieniać się w szerokich granicach.

W celu zwiększenia powierzchni właściwej o 500-1000 m 2 /g włókna węglowe poddaje się obróbce przegrzaną parą wodną, ​​dwutlenkiem węgla i innymi odczynnikami. Włókna węglowe charakteryzują się małym współczynnikiem rozszerzalności liniowej, zauważalnie niższym niż metale, grafit i szkło kwarcowe. Pod względem pojemności cieplnej włókna węglowe niewiele różnią się od innych ciał stałych. Cechą charakterystyczną włókien węglowych, a zwłaszcza grafitowanych, jest ich bardzo wysoka przewodność cieplna. Jest to również charakterystyczne dla grafitu. W przypadku stosowania włókien węglowych lub opartych na nich kompozycji jako materiałów osłony cieplnej wysoka przewodność cieplna jest niepożądana, ponieważ przez materiał kompozytowy zachodzi intensywne przenoszenie ciepła. Aby wyeliminować tę wadę, oprócz włókna węglowego, do materiałów kompozytowych dodaje się inne włókna żaroodporne, w szczególności włókna tlenków metali o niskiej przewodności cieplnej.

Włókna węglowe o rozwiniętej powierzchni właściwej są wysoce higroskopijne ze względu na kondensację wody w porach. Włókno grafitowe ma niską porowatość, więc jego higroskopijność jest niska. Higroskopijność ma ogromne znaczenie w produkcji materiałów kompozytowych.

Formy tekstylne z włókien węglowych

Włókna węglowe mogą być produkowane w szerokiej gamie struktur tekstylnych: zszyte, ciągłe, tkane lub nietkane. Kable, przędze, niedoprzędy i włókniny to obecnie najczęściej stosowane typy struktur z włókna węglowego. Włókna węglowe charakteryzują się wysokim modułem sprężystości i niskim wydłużeniem. Dlatego nie są w stanie wytrzymać powtarzających się odkształceń, a ich zastosowanie do wytwarzania materiałów tkanych stwarza pewne trudności. Jednak dzięki postępowi technologii produkcji włókien węglowych i technik tkackich możliwe stało się wytwarzanie z nich wszelkiego rodzaju materiałów tkanych.

Zaletą tkanin jednokierunkowych (w tym przypadku cienkie nitki: szklane lub organiczne, ułożone wzdłuż wątku służą jedynie do technologicznego łączenia nitek lub splotek ze sobą) jest to, że praktycznie eliminują one załamania włókien w kierunku wzdłużnym, co powoduje włókna są dobrze zorientowane, materiał jest gładki i przyjemny w dotyku. Produkowane są także w formie taśm hybrydowych i tkanin w połączeniu z nićmi z włókna szklanego. Obecnie asortyment tkanin jest bardzo zróżnicowany; różnią się gęstością nici na szerokości, strukturą tkania, stosunkiem liczby nitek w kierunku podłużnym (wzdłuż osnowy) i poprzecznym (wzdłuż wątku), liczbą włókien elementarnych w wiązce i innymi cechy.

W zależności od warunków użytkowania CFM produkowany jest w postaci nitek i splotek ciągłych (uformowanych z 1000, 3000, 5000, 6000, 10000 i więcej elementarnych włókien ciągłych), sznurów, włókien ciętych, węzłów, taśm, tkanin (często łączonych z włóknami polimerowymi lub szklanymi), taśmy jednokierunkowe, w których mocne nitki osnowy przeplatają się z wątkiem o niskiej wytrzymałości, materiały włókninowe (filce, maty) itp. Opracowano i zastosowano niemal całą możliwą gamę form tekstylnych bazujących na węglu włókna.

Aby otrzymać wyroby tkane z włókna węglowego, stosuje się dwie główne metody: tkanie włókien wyjściowych i późniejszą obróbkę termiczną wyrobów tkanych na wyroby węglowe (tj. karbonizację i grafityzację form tkanych); produkcja nici węglowych, paków i ich późniejsza obróbka tekstylna. Zaletą tej ostatniej metody jest możliwość otrzymania tkanin o mniejszej anizotropii właściwości, a także możliwość otrzymania łączonych materiałów tkanych z CF i innych rodzajów włókien, wadą jest kruchość CF i związane z tym trudności podczas obróbki tekstyliów .

Rysunek 17.12 pokazuje rodzaje niektórych tkanin specjalnego przeznaczenia: tkanina niekarbowana, w której eliminując zginanie włókien węglowych, zapobiega się uszkodzeniu włókien i utracie wytrzymałości; tkanina spiralna, w której włókna węglowe są ułożone spiralnie i połączone ze sobą w kierunku promieniowym; tkaniny z orientacją włókna węglowego pod kątem 0,30 i 60°; tkaniny trójwymiarowe, w których włókna węglowe są również zorientowane w kierunku grubości tkaniny itp.

a - tkanina niekarbowana; b - tkanina spiralna; c - tkanina z trójosiową orientacją nici w płaszczyźnie tkaniny; d - trójwymiarowa tkanina z ortogonalną orientacją objętościową nici.

1 - nić szklana; 2 - nić węglowa.

Rysunek 17.12 - Przykłady tkanin specjalnego przeznaczenia.

Tkaniny z włókna węglowego. Właściwości i warunki wytwarzania tkanin węglowych zależą od struktury tych tkanin, gęstości splotu, karbowania przędzy, gęstości przędzy wyjściowej i warunków tkania.

Gęstość nici w osnowie i wątku określa się na podstawie liczby nitek w 1 cm tkaniny, odpowiednio w kierunku wzdłużnym i poprzecznym. „Osnowa” to przędza ułożona na całej długości tkaniny, a „wątek” przeplata tkaninę w kierunku poprzecznym. Dlatego gęstość tkaniny, jej grubość i wytrzymałość na rozciąganie są proporcjonalne do liczby nitek i rodzaju przędzy użytej do tkania. Parametry te można określić, jeśli znany jest projekt tkaniny. Istnieją różne rodzaje splotów osnowy i wątku, które umożliwiają tworzenie trwałych tkanin. Zmieniając rodzaj tkaniny, można stworzyć różnorodne struktury wzmacniające, które w pewnym stopniu wpływają na właściwości wykonanych z nich kompozytów. W niektórych przypadkach zastosowanie tkanin węglowych wymaga specjalnych rodzajów splotów.

Warkocz to wąski (mniej niż 30,5 cm szerokości) materiał, który może zawierać luźną krajkę (tj. przędzę wypełniającą wystającą poza taśmę). Taśma z włókna węglowego w formie plecionych rękawów charakteryzuje się większą elastycznością w porównaniu do tkanin na bazie włókna węglowego. Z oplotu można wytwarzać produkty o skomplikowanych konfiguracjach o nieregularnej powierzchni itp.

Tekstylna przędza z włókna węglowego- Są to pojedyncze równoległe włókna lub pasma (pęczki) zebrane razem, które można później przetworzyć na materiał tekstylny. Ciągłe pojedyncze kable (nitki) są najprostszą formą tekstylnej przędzy z włókna węglowego, zwanej „przędzą płaską”. Aby wykorzystać taką przędzę w dalszej obróbce tekstyliów, poddaje się ją zwykle lekkiemu skręcaniu (poniżej 40 m -1). Jednak w przypadku dużej liczby tkanin potrzebna jest grubsza przędza. Ten asortyment przędz tekstylnych można wytwarzać poprzez skręcanie i puszkowanie. Typowym przykładem jest skręcenie dwóch lub więcej prostych splotów wraz z jednoczesnym ponownym tkaniem (tj. późniejsze skręcenie dwóch lub większej liczby wstępnie skręconych splotów).

W wyniku operacji skręcania i skręcania uzyskuje się przędzę, której wytrzymałość, elastyczność i średnica mogą się różnić. Jest to ważny warunek wstępny tworzenia różnorodnych tkanin, z których następnie otrzymuje się kompozyty.

Uprzęże składają się z dużej liczby włókien zebranych w wiązkę. Zwykle stosuje się kable o liczbie włókien ciągłych 400, 10 tysięcy lub 160 tysięcy. Przez przędzę rozumie się zwykle nici skręcone, składające się z ciętych włókien, natomiast tułaczy to pasmo (pasmo) składające się z równoległych lub lekko skręconych wiązek włókien. Wreszcie maty (taśmy) Składają się z dużej liczby (czasami do 300) wiązek lub pasm włókien węglowych ułożonych obok siebie lub zszytych i mogą być przetwarzane w różnego rodzaju struktury tekstylne. Krótkie włókna węglowe (o długości 3 - 6 mm) można przetworzyć na filc lub włókninę przy użyciu konwencjonalnej technologii.

Dla włókien węglowych i kompozytów z włókien węglowych włókna węglowe UKN-P/2500, UKN-P/5000 z obróbką powierzchniową i liczbą włókien w nici wynoszą odpowiednio 2500 i 5000, VMN-4, VMN-RK, Rovilon, VEN- 280, UKN/5000, UKN /10000, Coulomb/5000A, Coulomb/5000B o gęstości liniowej od 200 do 900 tex, charakteryzujące się wytrzymałością i modułem sprężystości w dość szerokim zakresie. Właściwości niektórych włókien węglowych przedstawiono w tabelach 17.6 i 17.7.

Tabela 17.6 - Właściwości włókien węglowych.

Wskaźniki	Marka wypełniaczy
	UKN-P/2500	UKN- P/5000	UKN/ 5000	UKN/ 10000	Wisiorek/5000A Zawieszka/5000B
Gęstość liniowa, teks
Odchylenie gęstości liniowej,%
Względne obciążenie zrywające nitkę po zerwaniu przez pętlę, n/tex
Udział masowy środka zaklejającego,%
Moduł sprężystości, GPa
Naprężenie zrywające rozciągające gwint w mikroplastiku, GPa
Naprężenie niszczące tworzywa sztucznego, GPa przy: Rozciąganie

Tabela 17.7 - Właściwości włókien węglowych.

Wskaźniki nieruchomości	Marka wypełniaczy
	VMN-4	VMN-RK-3	ROVILON			VEN-280-1	VEN-280
Gęstość liniowa, teks
Odchylenie gęstości liniowej, % nie więcej
Gęstość nici, g/cm 3
Naprężenie zrywające rozciągające włókna, GPa
Moduł sprężystości liny z tworzywa sztucznego, GPa
Dynamiczny moduł sprężystości liny, GPa
Wytrzymałość na zginanie liny z tworzywa sztucznego MPa

Najczęściej stosowanym wypełniaczem wzmacniającym do laminatów z włókna węglowego są taśmy węglowe typu LU-P i ELUR-P, które mają postać rolek o szerokości 250 mm ciasno nawiniętych na dwukołnierzowe szpule. Główną charakterystykę taśm przedstawiono w tabeli 17.8. Cechą charakterystyczną taśm węglowych jest ich niska gęstość liniowa, która zapewnia produkcję tworzyw sztucznych z włókna węglowego o grubości monowarstwy 0,08-0,13 mikrona.

Tabela 17.8 - Właściwości taśm węglowych.

Typ taśmy	Szerokość taśmy, mm	Gęstość liniowa, g/m	Gęstość nici, g/cm 3	Ilość nitek na 10 cm, nie mniej	Zrywające naprężenie rozciągające w tworzywie sztucznym wzmocnionym włóknem węglowym, GPa, nie mniej	Naprężenie niszczące podczas ściskania tworzywa sztucznego wzmocnionego włóknem węglowym, GPa, nie mniej	moduł sprężystości przy zginaniu, GPa	Udział objętościowy wypełniacza w włóknie węglowym, %	Gęstość włókna węglowego, g/cm 3	Grubość monowarstwy włókna węglowego, mm

Dużą grupę wypełniaczy wzmacniających węgiel stanowią materiały tkane na bazie nici węglowych UKN-P/2500 i UKN/P500. Są to taśmy tkane UOL-1 i UOL-2 o szerokości 300, 460 i 600 mm. (W symbolu taśmy pierwsza cyfra to szerokość taśmy, druga cyfra w oznaczeniu to rodzaj nitek użytych jako osnowa: 1- dla nici UKN-P/5000 i 2- dla UKN-P /2500 nitek.) Taśmy te posiadają w osnowie i wątku wyłącznie nici węglowe, taśmy posiadają rzadkie nici szklane lub organiczne o gęstości liniowej 14-30 tex. Produkowane są na krosnach tkackich taśmowych.

W celu poszerzenia asortymentu produkowane są taśmy kombinowane typu UOL-K o stosunku nici węglowych i szklanych w stosunku 6:1. Główne cechy tkanych taśm węglowych i kompozytowych podano w tabeli 3.9. W odróżnieniu od włókien węglowych typu LU, wypełniacze te zapewniają tworzywa wzmocnione włóknami węglowymi o większej grubości monowarstwy od 0,17 mm do 0,25 mm i wyższym poziomie właściwości wytrzymałościowych. Taśmy tkane typu LZHU w odróżnieniu od taśm typu UOL tkane są z surowców i posiadają węglową nić wątku. Taśmy LZHU różnią się gęstością liniową przy zastosowaniu różnych nici węglowych w podstawie z 2500 lub 5000 włókien. Główną charakterystykę tych taśm przedstawiono w tabeli 4.9.

Tkanina węglowa UT-900-2.5 na bazie nici UKN-P/2500 utkanych o splocie skośnym, zapewniającym jednakową gęstość nitek osnowy i wątku, zasadniczo różni się od omawianych wcześniej wypełniaczy. Charakterystykę i właściwości tkanin podano w tabeli 17.9.

Tabela 17.9 - Właściwości tkanych taśm i tkanin węglowych.

Asortyment marki oraz właściwości krajowych i zagranicznych CFM przedstawiają tabele 17.10 - 17.13.

W tabeli 17.13 przedstawiono niektóre właściwości obcych włókien węglowych z różnych włókien macierzystych. Mogą być dostarczane konsumentowi po obróbce powierzchniowej lub bez. Rodzaj i rodzaj struktury tekstylnej do obróbki włókien węglowych determinuje zazwyczaj jej zastosowanie w materiale kompozytowym. Od tego zależy także sposób wytwarzania kompozytu: układanie, formowanie wtryskowe lub pultruzja.

Struktury wolumetryczne na bazie włókien węglowych.

Jedną z głównych zalet wzmocnionych materiałów kompozytowych jest wysoka wytrzymałość właściwa w kierunku zbrojenia. Kolejną ważną zaletą takich materiałów w porównaniu z materiałami izotropowymi jest skuteczna kontrola anizotropii właściwości mechanicznych, termofizycznych i innych w kierunku zbrojenia. Anizotropia właściwości jest kontrolowana poprzez zmianę rozmieszczenia zbrojenia.

Tabela 17.10 – Wypełniacze węglowe do konstrukcyjnych tworzyw sztucznych wzmacnianych włóknem węglowym (Rosja).

	Włókienniczy	Gęstość g/cm 3
LU-P-0.1 i O.2 4 , 5
UKN-P-O,1 1 ,4, 5
UKN-P-5000M 4, 5
UKN-P-5000 2, 6
UKN-P-2500 4, 5
WISIOREK N24-P 5
GRANIT P5	nić 400 tex
ELUR-P-0.1 4 , 5	taśma245±30mm
	taśma 90+10 mm
	taśma 90±10 mm
	taśma? = 0,235 ± 0,015
	taśma, ?= 0,175+0,015
	skośny, ? = 0,22 ± 0,02
ELUR-P-0,08 4 , 5
	nić, opaska uciskowa
	nić, opaska uciskowa

Uwaga: 1 - odpowiednik Tornel 300, Toreyka TZOO; 2 - na bazie UKN-P-5000, taśm węglowo-organicznych UOL-55, 150, 300, 300-1, ZOOK (NPO „Khimvolokno”); UOL-300-1 (osnowa UKN-P-5000, 410 tex, wątek SVMK 14,3 tex); UOL-ZOOK (osnowa UKN-P-5000 410 tex i Armos 167 tex, wątek SVMK 14,3 tex); UOL-150, 300 (osnowa UKM-P-5000, 390 tex, wątek SVMK tex 29,4); 3 - osnowa i wątek wykonane z UKN-P-2500 200 tex, krajka Ural N 205 tex; 4 - nici PAN do ELUR-P, LU-P tex 33.3, UKN-P-5000 tex 850, UKN-P-2500 tex 425; 5 - P - utlenianie elektrochemiczne (metoda ECHO); 6 - używany do produkcji konstrukcji TZ, takich jak TsOO i TsTMZ; Tex to masa 1 km włókna w gramach.

Tabela 17.11 - Właściwości materiałów węglowych na bazie włókien wiskozowych (uwodnionej celulozy, HC) do ochrony termicznej, materiałów aktywnych adsorpcyjnie, wyrobów elektrycznych (grzejników). (Rosja) .

Marka materiał	Włókienniczy formularz	%	Obciążenie niszczące na pasek 5 cm, kgf		Siła żywiołu gwinty, GPa
	tkanina, wstążka
Ural TR Z/2-15	Dzianina
Ural TR 3/2-22	Dzianina
UralTM/4-22	Tkanina wielowarstwowa
Ural LO-22	Taśma jednokierunkowa
Ural LO-15	Taśma jednokierunkowa
	nić tekstylna
	nić
Ural Tr-3/2-15E	dzianina obrobiona powierzchniowo
Uglen, Uglen-9

Tabela 17.12 - Formy tekstylne i właściwości kabli węglowych (Rosja).

Opcje	Pasma węglowe, gatunki
	VMN-4	ROVILON	VPR-19(y)	VNV(-y)
Surowiec		Nitron 650 -1700 tex	Nitron 850 -1700 tex
Liczba wątków, szt
Liczba skrętów na 1 m
Ilość włókien (filamentów), szt.
Długość, maks., m
Średnica, maks., µm
Temperatura pirolizy, maks., °C
Gęstość, g/cm3
Wytrzymałość na rozciąganie, ?, GPa
Moduł sprężystości przy rozciąganiu, E, GPa
Wydłużenie względne, ε,%
Smar

Tabela 17.13 - Właściwości zagranicznych przemysłowych włókien węglowych.

Błonnik	Firma dostawcy	Materiał źródłowy	σ W , MPa	E, GPa	 , kg/m 3	σ , 10 -4 cm/m	 itp , W/ (M  °C)	α itp , DO -1
Fortafil 3 (0)
Fortafil 5
CI-Tex 12000
CI-Tex 6000
Cześć - Tex 3000
Hi-Tex 1500
Panex 1/4 CF-30
Panex 30 R
Panexa 30V800d
Selion GY-70
Selion 6000
Selion 3000
Selion 1000
Thornel 300 WYP 90 - 1/0
Tornel 300 WYP30-1/0

Nazwy firm: G - „Hercules” (Hercules), GLK - „Great Lakes Carbon” (Great Lakes Carbon), K - „Carborundum” (Carborund), P - „Policarbon” (Policarbon), SF - „Stackpole Carbon Fibres” ” (Włókna węglowe Stackpole), C - „Celanese”, YK - „Union Carbide”.

Elementami wzmacniającymi węglowych materiałów kompozytowych są włókna węglowe. Opracowano konstrukcje wzmacniające, które mają trzy, cztery, pięć lub więcej kierunków zbrojenia. Zmieniając stosunek zbrojenia w różnych kierunkach, powstają materiały o określonych właściwościach.

Istnieje kilka systemów konstrukcji wzmacniających materiały kompozytowe. W praktyce systemy dwójkowe, trzy i N wątki

Cechą charakterystyczną materiałów utworzonych przez układ dwóch nitek jest występowanie określonego stopnia krzywizny włókien w kierunku osnowy (oś x), natomiast włókna wątku (oś y) są proste. W trzecim kierunku (oś z) nie ma zbrojenia. Głównymi parametrami wzmacniającymi tej grupy materiałów są stopień krzywizny włókien podstawowych (kąt ) oraz współczynnik wzmocnienia  w kierunku osnowy i wątku (rysunek 17.13).

Rysunek 17.13 - Warianty schematów zbrojenia utworzone przez układ dwóch nitek. Łączenie sąsiednich warstw włóknami kierunkowymi Na: w samolocie zx(A) i w samolocie zy(B); na całej grubości konstrukcji i w płaszczyźnie zx(V) i w samolocie zy(G). Połączenie przez dwie warstwy za pomocą kierunku X włókna proste ( D) oraz przez warstwę i na całej grubości materiału stosując się do kierunku X włókna proste ( mi). Połączenie poprzez warstwę o zmiennej gęstości na całej grubości materiału ( I) .

Materiały kompozytowe utworzone przez układ trzech nitek posiadają wzmocnienie w trzech kierunkach wybranych osi współrzędnych. Najpopularniejsze schematy zbrojenia pokazano na rysunku 17.14.

Schematy zbrojenia są z reguły utworzone przez wzajemnie ortogonalne włókna (rysunek 17.14, a, b), istnieją jednak schematy z ukośnym ułożeniem włókien (rysunek 17.14, płyta CD). Włókna wzmacniające mogą być proste (rysunek 17.14, A), mają określony stopień krzywizny włókna w jednym (Rysunek 17.14, V) lub dwa (rysunek 17.14, G) kierunki Liczba włókien i odstęp między nimi w każdym z trzech kierunków to główne parametry materiałów kompozytowych, które determinują warunki ich użytkowania.

Rysunek 17.14 - Opcje schematów zbrojenia utworzonych przez system trójżyłowy

z prostymi włóknami w trzech kierunkach ( a, b),

z prostymi włóknami w dwóch kierunkach ( V),

przy danym stopniu kierunku włókien w dwóch kierunkach ( mi) .

System czterosplotowy umożliwia uzyskanie materiałów kompozytowych o różnych możliwościach przestrzennego rozmieszczenia zbrojenia. Opcja 4 jest najpopularniejsza D. Jego charakterystyczną cechą jest umiejscowienie zbrojenia wzdłuż czterech przekątnych sześcianu. Ten schemat układania, z równym rozkładem zbrojenia wzdłuż kierunków zbrojenia, umożliwia uzyskanie struktury równowagi.

Wzmocnienie materiałów kompozytowych utworzonych układem wielu nici odbywa się w różnych kierunkach, najczęściej w trzech wzajemnie prostopadłych kierunkach wybranych osi współrzędnych oraz w płaszczyznach ukośnych zawierających osie współrzędnych. Możliwe są również bardziej złożone schematy zbrojenia (rysunek 17.15). Geometria zbrojenia przestrzennego tworzona jest w oparciu o warunki zniszczenia materiału i powinna zapewniać ukierunkowaną anizotropię właściwości. Zwiększenie liczby kierunków zbrojenia pomaga zmniejszyć anizotropię właściwości, ogólny współczynnik zbrojenia, a co za tym idzie, wartości bezwzględne właściwości materiału. Materiały o pełnej izotropii właściwości sprężystych uzyskuje się poprzez ułożenie zbrojenia pod kątem 31° 43 do osi kartezjańskiego układu współrzędnych w każdej z trzech ortogonalnych płaszczyzn. Inne symetrie charakteryzują się obecnością pewnych ekstremalnych wartości właściwości fizycznych.

Rysunek 17.15 - Schemat ukośnego ułożenia konstrukcji w jednej płaszczyźnie ( A) i w przestrzeni ( B) dla materiałów kompozytowych utworzonych przez system N wątki; jedenastokierunkowy (11d) wzór zbrojenia ( V), przekątne między wierzchołkami średnicowymi wzdłuż dwóch ścian i wzdłuż krawędzi.

Dla racjonalnego wykorzystania wzmocnionych materiałów kompozytowych konieczna jest znajomość ich maksymalnych współczynników wzmocnienia. W pracy zbadano możliwości ograniczenia wypełniania konstrukcji wzmocnionych przestrzennie włóknami o przekroju okrągłym. Zasadniczo badali gęste upakowanie włókien – w momencie stykania się z ich cylindrycznymi powierzchniami – w jednej płaszczyźnie, prostopadłej, do której wprowadzano włókna, „mocując” warstwy. W tabeli 17.14 przedstawiono teoretyczne maksymalne dopuszczalne wartości współczynników zbrojenia dla niektórych typów konstrukcji w przypadku, gdy wielokierunkowe zbrojenie w płaszczyźnie zostało utworzone za pomocą włókien prostych. Parametr  (%) wskazuje udział włókien prostych prostopadłych do płaszczyzny ułożenia w całkowitej objętości zbrojenia.

Tabela 17.14 - Graniczne współczynniki zbrojenia dla niektórych typów konstrukcji.

№ p/s	Schemat wzmocnień	Numer kierunki zbrojenia	Nośny włókna	Udział włókien prostopadłych do płaszczyzny upakowania,%	 itp
			Sześciokątny
			Prostokątny
			Warstwowe (dowolne)
			Prostokątny w trzech płaszczyznach
			Sześciokątny poprzecznie izotropowy

Jak widać z danych zawartych w tabeli 17.14, odchylenie kierunków ułożenia włókien od układu jednokierunkowego i płaskiego znacznie zmniejsza objętościowy współczynnik wzmocnienia materiału. Przy trzech wzajemnie prostopadłych kierunkach ułożenia włókien maksymalny współczynnik wzmocnienia  pr. zmniejsza się o 25% w porównaniu ze współczynnikiem dla konstrukcji ciągłej. Przy czterech kierunkach zbrojenia, z których trzy tworzą izotropię właściwości w płaszczyźnie (tabela 17.14, punkt 5),  itp współczynnik zbrojenia zmniejsza się w porównaniu ze współczynnikiem zbrojenia zgodnie z sześciokątnym jednokierunkowym wzorem (Tabela 17.14, akapit 1) o 38%. Na schemacie 5, ze względu na ukośne ułożenie włókien w płaszczyźnie, gdy stykają się one z włóknami w kierunku prostopadłym do płaszczyzny, wolnych miejsc do wypełnienia osnową jest więcej niż w przypadku trzech ortogonalnych kierunków zbrojenia (Tabela 17.14, ust. 4).

Należy zauważyć, że wyidealizowane schematy maksymalnego wypełnienia materiału kompozytowego włóknami należy rozpatrywać jedynie w celach porównawczych. W rzeczywistych przypadkach, ze względu na uwarunkowania technologiczne lub inne, odległości pomiędzy sąsiednimi włóknami ulegają zmianie i konieczne jest wprowadzenie korekt  itp współczynniki odzwierciedlające stopień dyspersji włókien przy idealizowaniu geometrii konstrukcji.

Rzeczywista objętość włókien w ramie jest zawsze znacznie mniejsza niż obliczona. Wynika to z faktu, że nici nie mają przyjętego w obliczeniach prawidłowego kształtu przekroju poprzecznego, a włókna elementarne nie są monolityczne.

Metody wytwarzania ram wzmacniających z materiałów kompozytowych węgiel-węgiel są różnorodne, obejmują tkanie nici na sucho, zszywanie tkanin, montaż sztywnych prętów wykonanych z pultrudowanych nici węglowych, nawijanie nici, tkanie i kombinację tych metod. Najpowszechniej stosowaną metodą jest tkanie (tkanie) suchych nici. Dopuszczalne jest wytwarzanie zarówno najprostszych z wielokierunkowych ram, w których włókna są ułożone wzdłuż osi prostokątnego układu współrzędnych (CR), jak i najbardziej skomplikowanych wielokierunkowych - 11 D (patrz rysunek 17.15, V). W tym przypadku stosuje się gwinty o małej średnicy z ich gęstym ułożeniem (rysunek 17.16), co zapewnia małe puste przestrzenie i dużą gęstość ramy.

Metoda tkania na sucho ma również zastosowanie do tworzenia ram cylindrycznych. Rusztowania tkane tego typu pokazano na rysunku 17.17. Zapewnienie stałej gęstości zbrojenia ram cylindrycznych wraz ze wzrostem rozbieżności gwintów promieniowych w miarę zbliżania się ich do średnicy zewnętrznej osiąga się poprzez zwiększanie średnicy osiowych wiązek gwintów lub wprowadzanie do głównego układu zbrojenia elementów promieniowych o różnej długości. Produkcja takich ram odbywa się na maszynach tkackich. Istnieje możliwość tworzenia bardziej skomplikowanych konstrukcji.

Rysunek 17.16 - Typowy układ włókien o małej średnicy w materiale wzmocnionym ortogonalnie w celu uzyskania dużej gęstości ramy.

Rysunek 17.17 - Układ gwintów w trójkierunkowym kształcie cylindrycznym

splot.

Rozwój metod wytwarzania ram wzmocnionych ortogonalnie umożliwił stworzenie zmodyfikowanej konstrukcji o nazwie Mod 3. Modyfikacja była następująca: w samolocie xy Zamiast prostych nici zastosowano tkaninę węglową, włókna ułożone są w kierunku osi z pozostają proste i przechodzą przez warstwy tkaniny pomiędzy włóknami w płaszczyźnie xy. Podczas szycia tkaniny w kierunku osi X Stosuje się zarówno nici suche, jak i pręty węglowe, otrzymywane poprzez impregnację nici spoiwem organicznym, a następnie karbonizację, lub węglem pirolitycznym z fazy gazowej. Rodzaj i rozmieszczenie włókien w rusztowaniach tej struktury może zmieniać się we wszystkich kierunkach.

Ramy wielokierunkowe produkowane są również z samych prętów węglowych. Wadą takich rusztowań jest brak integralności przed wprowadzeniem matrycy łączącej pręty; zaletą jest wysoki stopień wypełnienia objętości materiału zbrojeniem.