Полимер, армированный углеродным волокном

Легкий, прочный и жесткий композитный материал

Хвостовая часть радиоуправляемого вертолета , изготовленная из углепластика

Углеродные армированные полимеры ( американский английский ), углеродные армированные полимеры ( английский Содружество ), углеродные армированные пластики , углеродные армированные термопластики ( CFRP , CRP , CFRTP ), также известные как углеродное волокно , углеродный композит или просто углерод , являются чрезвычайно прочными и легкими армированными волокном пластиками , которые содержат углеродные волокна . Углеродные армированные пластики могут быть дорогими в производстве, но обычно используются везде, где требуется высокое отношение прочности к весу и жесткость (жесткость), например, в аэрокосмической промышленности, надстройках судов, автомобилестроении, гражданском строительстве, спортивном оборудовании и все большем количестве потребительских и технических приложений. ^{[1] [2] [3] [4]}

Связующим полимером часто является термореактивная смола, такая как эпоксидная смола , но иногда используются и другие термореактивные или термопластичные полимеры, такие как полиэстер , виниловый эфир или нейлон. ^[4] Свойства конечного продукта CFRP могут зависеть от типа добавок, введенных в связующую матрицу (смолу). Наиболее распространенной добавкой является кремний , но могут использоваться и другие добавки, такие как каучук и углеродные нанотрубки .

Углеродное волокно иногда называют графитоармированным полимером или полимером, армированным графитовым волокном ( GFRP встречается реже, так как его название противоречит полимеру, армированному стекловолокном ).

Характеристики

Углепластики (CFRP) — это композитные материалы . В этом случае композит состоит из двух частей: матрицы и арматуры. В CFRP арматурой является углеродное волокно, которое обеспечивает его прочность. Матрица обычно представляет собой термореактивный пластик, такой как полиэфирная смола, для связывания арматуры вместе. ^[5] Поскольку CFRP состоят из двух отдельных элементов, свойства материала зависят от этих двух элементов.

Армирование придает CFRP прочность и жесткость, измеряемые напряжением и модулем упругости соответственно. В отличие от изотропных материалов, таких как сталь и алюминий, CFRP обладают направленными прочностными свойствами. Свойства CFRP зависят от расположения углеродного волокна и пропорции углеродных волокон относительно полимера. ^[6] Два различных уравнения, регулирующих чистый модуль упругости композитных материалов с использованием свойств углеродных волокон и полимерной матрицы, также могут быть применены к армированным углеродным волокном пластикам. ^[7] Уравнение:

${\displaystyle E_{c}=V_{m}E_{m}+V_{f}E_{f}}$

справедливо для композитных материалов с волокнами, ориентированными в направлении приложенной нагрузки. — общий модуль упругости композита, и — объемные доли матрицы и волокна соответственно в композите, и — модули упругости матрицы и волокон соответственно. ^[7] Другой крайний случай модуля упругости композита с волокнами, ориентированными поперек приложенной нагрузки, можно найти с помощью уравнения: ^[7] ${\displaystyle E_{c}}$ ${\displaystyle V_{m}}$ ${\displaystyle V_{f}}$ ${\displaystyle E_{m}}$ ${\displaystyle E_{f}}$

${\displaystyle E_{c}=\left({\frac {V_{m}}{E_{m}}}+{\frac {V_{f}}{E_{f}}}\right)^{-1}}$

Трещиностойкость армированных углеродным волокном пластиков регулируется механизмами: 1) нарушение связи между углеродным волокном и полимерной матрицей, 2) вытягивание волокна и 3) расслоение между листами CFRP. ^[8] Типичные CFRP на основе эпоксидной смолы практически не обладают пластичностью, с деформацией до разрушения менее 0,5%. Хотя CFRP с эпоксидной смолой обладают высокой прочностью и модулем упругости, механика хрупкого разрушения представляет собой уникальные проблемы для инженеров при обнаружении отказов, поскольку отказ происходит катастрофически. ^[8] Таким образом, недавние попытки упрочнить CFRP включают модификацию существующего эпоксидного материала и поиск альтернативной полимерной матрицы. Одним из таких многообещающих материалов является PEEK , который демонстрирует на порядок большую прочность при аналогичном модуле упругости и пределе прочности на разрыв. ^[8] Однако PEEK гораздо сложнее обрабатывать и он дороже. ^[8]

Несмотря на их высокие начальные отношения прочности к весу, ограничением конструкции CFRP является отсутствие определяемого предела усталости . Это означает, теоретически, что отказ от цикла напряжения не может быть исключен. В то время как сталь и многие другие конструкционные металлы и сплавы имеют оценочные пределы усталости или выносливости, сложные режимы отказа композитов означают, что свойства усталостного отказа CFRP трудно предсказать и спроектировать; однако новые исследования пролили свет на влияние низкоскоростных ударов на композиты. ^[9] Низкоскоростные удары могут сделать полимеры из углеродного волокна восприимчивыми к повреждениям. ^{[10] [11] [12]} В результате, при использовании CFRP для критических применений с циклической нагрузкой инженерам может потребоваться проектировать со значительным запасом прочности, чтобы обеспечить надлежащую надежность компонента в течение срока его службы.

Влияние окружающей среды, такое как температура и влажность, может оказывать глубокое воздействие на композиты на основе полимеров, включая большинство CFRP. В то время как CFRP демонстрируют отличную коррозионную стойкость, воздействие влаги в широком диапазоне температур может привести к ухудшению механических свойств CFRP, особенно на границе раздела матрица-волокно. ^[13] Хотя сами углеродные волокна не подвержены влиянию влаги, диффундирующей в материал, влага пластифицирует полимерную матрицу. ^[8] Это приводит к значительным изменениям свойств, на которые в основном влияет матрица в CFRP, таких как компрессионные, межслойные сдвиговые и ударные свойства. ^[14] Эпоксидная матрица, используемая для лопаток вентилятора двигателя, разработана так, чтобы быть непроницаемой для реактивного топлива, смазки и дождевой воды, а внешняя краска на композитные детали наносится для минимизации повреждений от ультрафиолетового света. ^{[8] [15]}

Углеродные волокна могут вызывать гальваническую коррозию , когда детали из углепластика прикреплены к алюминию или мягкой стали, но не к нержавеющей стали или титану. ^[16]

Пластики, армированные углеродным волокном, очень трудно обрабатывать, и они вызывают значительный износ инструмента. Износ инструмента при обработке CFRP зависит от ориентации волокон и условий обработки в процессе резания. Для уменьшения износа инструмента при обработке CFRP и пакета CFRP-металл используются различные типы покрытых инструментов. ^[1]

Производство

Полимер, армированный углеродным волокном

Основным элементом углепластиков является углеродная нить ; она производится из полимера- предшественника, такого как полиакрилонитрил (ПАН), вискоза или нефтяной пек . Для синтетических полимеров, таких как ПАН или вискоза, прекурсор сначала прядут в нити, используя химические и механические процессы для первоначального выравнивания полимерных цепей таким образом, чтобы улучшить конечные физические свойства готового углеродного волокна. Составы прекурсоров и механические процессы, используемые во время прядения нитей, могут различаться у разных производителей. После вытяжки или прядения нити полимерных нитей затем нагревают для удаления неуглеродных атомов ( карбонизация ), производя конечное углеродное волокно. Нити углеродных волокон могут быть дополнительно обработаны для улучшения эксплуатационных качеств, а затем намотаны на бобины . ^[17] Из этих волокон создается однонаправленный лист. Эти листы накладываются друг на друга в квазиизотропной укладке, например, под углом 0°, +60° или −60° относительно друг друга.

Из элементарного волокна можно создать двунаправленный тканый лист, т. е. саржу с переплетением 2/2. Процесс, с помощью которого изготавливается большинство углепластиков, варьируется в зависимости от создаваемой детали, требуемой отделки (внешнего блеска) и количества деталей, которые будут произведены. Кроме того, выбор матрицы может оказать сильное влияние на свойства готового композита. ^[18]

Многие детали из углепластика изготавливаются из одного слоя углеродной ткани, которая подкреплена стекловолокном. ^[19] Инструмент, называемый измельчителем, используется для быстрого создания этих композитных деталей. После того, как тонкая оболочка из углеродного волокна создана, измельчитель разрезает рулоны стекловолокна на короткие отрезки и одновременно распыляет смолу, так что стекловолокно и смола смешиваются на месте. ^[20] Смола представляет собой либо внешнюю смесь, в которой отвердитель и смола распыляются отдельно, либо внутреннюю смесь, которая требует очистки после каждого использования. Методы производства могут включать следующее:

Формование

Один из методов производства деталей из углепластика заключается в наложении слоев ткани из углеродного волокна в форму в форме конечного продукта. Выравнивание и переплетение волокон ткани выбираются для оптимизации прочностных и жесткостных свойств полученного материала. Затем форма заполняется эпоксидной смолой и нагревается или отверждается на воздухе. Полученная деталь очень устойчива к коррозии, жесткая и прочная для своего веса. Детали, используемые в менее критических областях, изготавливаются путем накладывания ткани на форму, причем эпоксидная смола либо предварительно пропитывается в волокна (также известна как препрег ), либо «наносится» поверх нее. Высокопроизводительные детали, использующие отдельные формы, часто упаковываются в вакуумные мешки и/или отверждаются в автоклаве , поскольку даже небольшие пузырьки воздуха в материале снижают прочность. Альтернативой методу автоклава является использование внутреннего давления с помощью надувных воздушных пузырей или пенополистирола внутри неотвержденного уложенного углеродного волокна.

Вакуумная упаковка

Для простых изделий, для которых требуется сравнительно немного копий (одна или две в день), можно использовать вакуумный мешок . Стекловолоконная, углеродная или алюминиевая форма полируется и покрывается воском, а перед нанесением ткани и смолы на нее наносится разделительный состав , а затем вакуум отводится и откладывается, чтобы изделие затвердело (затвердело). Существует три способа нанесения смолы на ткань в вакуумной форме.

Первый метод — ручной и называется мокрым наложением, когда двухкомпонентная смола смешивается и наносится перед тем, как быть уложенной в форму и помещенной в мешок. Другой метод выполняется путем инфузии, когда сухая ткань и форма помещаются в мешок, в то время как вакуум втягивает смолу через небольшую трубку в мешок, затем через трубку с отверстиями или что-то подобное, чтобы равномерно распределить смолу по ткани. Проволочный ткацкий станок отлично подходит для трубки, которая требует отверстий внутри мешка. Оба этих метода нанесения смолы требуют ручной работы, чтобы равномерно распределить смолу для получения глянцевой отделки с очень маленькими отверстиями.

Третий метод создания композитных материалов известен как сухая выкладка. Здесь материал из углеродного волокна уже пропитан смолой (препрег) и наносится на форму аналогично клеевой пленке. Затем сборка помещается в вакуум для отверждения. Метод сухой выкладки имеет наименьшее количество отходов смолы и может обеспечить более легкие конструкции, чем мокрая выкладка. Кроме того, поскольку большие объемы смолы сложнее вытеснить с помощью мокрых методов выкладки, детали с препрегом обычно имеют меньше отверстий. Устранение отверстий с минимальным количеством смолы обычно требует использования давления в автоклаве для удаления остаточных газов.

Компрессионное формование

Более быстрый метод использует пресс-форму , также известную как ковка из углеродного волокна. Это двухкомпонентная (мужская и женская) или многокомпонентная форма, обычно изготавливаемая из алюминия или стали, а в последнее время из пластика, напечатанного на 3D-принтере. Компоненты формы спрессовываются вместе с тканью и смолой, загружаемыми во внутреннюю полость, которая в конечном итоге становится желаемым компонентом. Преимуществом является скорость всего процесса. Некоторые производители автомобилей, такие как BMW, заявляли, что могут циклически изготавливать новую деталь каждые 80 секунд. Однако эта технология имеет очень высокую первоначальную стоимость, поскольку формы требуют обработки на станке с ЧПУ очень высокой точности.

Намотка нити

Для изготовления деталей из углепластика сложной или извилистой формы можно использовать намоточную машину , наматывая нити на оправку или сердечник.

Приложения

Области применения углепластиков включают следующее:

Аэрокосмическая техника

Airbus A350 с ливреей в стиле углеродного волокна . Композитные материалы широко используются в A350.

Airbus A350 XWB на 53% изготовлен из углепластика ^[21] , включая лонжероны крыла и компоненты фюзеляжа, что превосходит Boeing 787 Dreamliner , самолет с самым высоким отношением веса к углепластику, которое составляет 50%. ^[22] Это был один из первых коммерческих самолетов, в котором лонжероны крыла были изготовлены из композитов. Airbus A380 был одним из первых коммерческих авиалайнеров, в котором центральный кессон крыла был изготовлен из углепластика; он первый имел плавно очерченное поперечное сечение крыла вместо того, чтобы крылья были разделены по размаху на секции. Это плавное, непрерывное поперечное сечение оптимизирует аэродинамическую эффективность. ^{[ необходима цитата ]} Более того, задняя кромка, а также задняя переборка, хвостовое оперение и негерметичный фюзеляж изготовлены из углепластика. ^[23] Однако многочисленные задержки отодвинули сроки поставки заказов из-за проблем с производством этих деталей. Многие самолеты, в которых используется CFRP, испытывали задержки с датами поставок из-за относительно новых процессов, используемых для изготовления компонентов CFRP, в то время как металлические структуры изучались и использовались на планерах в течение десятилетий, и эти процессы относительно хорошо изучены. Повторяющейся проблемой является мониторинг структурного старения, для которого постоянно исследуются новые методы из-за необычной многоматериальной и анизотропной природы CFRP. ^[24]

В 1968 году вентилятор Hyfil из углеродного волокна использовался на самолетах Rolls-Royce Conways Vickers VC10, эксплуатируемых BOAC . ^[25]

Специализированные авиаконструкторы и производители Scaled Composites широко использовали углепластики в своих проектах, включая первый частный пилотируемый космический корабль Spaceship One . Углепластики широко используются в микролетающих аппаратах (МЛА) из-за их высокого соотношения прочности к весу.

Автомобильная техника

Углеродные волокна широко используются в гонках автомобилей высокого класса. ^[26] Высокая стоимость углеродного волокна смягчается непревзойденным соотношением прочности к весу материала, а малый вес имеет важное значение для гонок автомобилей с высокими эксплуатационными характеристиками. Производители гоночных автомобилей также разработали методы придания прочности деталям из углеродного волокна в определенном направлении, делая их прочными в направлении нагрузки, но слабыми в направлениях, где на элемент будет возложена небольшая или нулевая нагрузка. С другой стороны, производители разработали всенаправленные переплетения углеродного волокна, которые придают прочность во всех направлениях. Этот тип сборки углеродного волокна наиболее широко используется в сборке шасси монокока «ячейки безопасности» гоночных автомобилей высокого класса. Первое шасси монокока из углеродного волокна было представлено в Формуле-1 McLaren в сезоне 1981 года. Оно было разработано Джоном Барнардом и широко копировалось в последующих сезонах другими командами F1 из-за дополнительной жесткости , придаваемой шасси автомобилей. ^[27]

За последние несколько десятилетий многие суперкары широко использовали углепластик в своем производстве, используя его для своих шасси-монококов, а также других компонентов. ^[28] Еще в 1971 году Citroën SM предлагал опциональные легкие колеса из углеродного волокна. ^{[29] [30]}

Использование этого материала было более охотно принято производителями небольших объемов, которые использовали его в основном для создания кузовных панелей для некоторых своих автомобилей высокого класса из-за его повышенной прочности и меньшего веса по сравнению со стеклоармированным полимером, который они использовали для большинства своих изделий.

Гражданское строительство

Углепластики стали заметным материалом в приложениях по проектированию конструкций . Изучаемые в академическом контексте на предмет их потенциальных преимуществ в строительстве, углепластики также доказали свою экономическую эффективность в ряде полевых применений, укрепляя бетонные, каменные, стальные, чугунные и деревянные конструкции. Их использование в промышленности может быть либо для модернизации с целью укрепления существующей конструкции, либо в качестве альтернативного армирующего (или предварительно напряженного) материала вместо стали с самого начала проекта.

Модернизация стала все более доминирующим применением материала в гражданском строительстве, и ее применение включает увеличение грузоподъемности старых конструкций (таких как мосты, балки, потолки, колонны и стены), которые были спроектированы для выдерживания гораздо более низких эксплуатационных нагрузок, чем они испытывают сегодня, сейсмическую модернизацию и ремонт поврежденных конструкций. Модернизация популярна во многих случаях, поскольку стоимость замены дефектной конструкции может значительно превышать стоимость усиления с использованием CFRP. ^[31]

Применительно к железобетонным конструкциям для изгиба использование углепластиков обычно оказывает большое влияние на прочность (удвоение или более прочности сечения не является редкостью), но лишь умеренно увеличивает жесткость (всего на 10%). Это связано с тем, что материал, используемый в таких приложениях, обычно очень прочный (например, предел прочности на растяжение 3 ГПа , более чем в 10 раз больше, чем у мягкой стали), но не особенно жесткий (типичный модуль упругости от 150 до 250 ГПа, немного меньше, чем у стали). Как следствие, используются только небольшие площади поперечного сечения материала. Небольшие области очень высокопрочного, но умеренно жесткого материала значительно увеличат прочность, но не жесткость.

Углепластики также могут использоваться для повышения прочности на сдвиг армированного бетона путем обертывания тканей или волокон вокруг укрепляемой секции. Обертывание вокруг секций (например, колонн моста или здания) также может повысить пластичность секции, значительно увеличивая сопротивление разрушению при динамической нагрузке. Такая «сейсмическая модернизация» является основным применением в сейсмоопасных районах, поскольку она намного экономичнее альтернативных методов.

Если колонна круглая (или почти круглая), увеличение осевой грузоподъемности также достигается за счет обмотки. В этом применении ограничение обмотки CFRP увеличивает прочность бетона на сжатие. Однако, хотя достигаются большие увеличения предельной нагрузки на разрушение, бетон трескается только при слегка увеличенной нагрузке, что означает, что это применение используется лишь изредка. Специальный сверхвысокомодульный CFRP (с модулем упругости на растяжение 420 ГПа или более) является одним из немногих практичных методов усиления чугунных балок. При типичном использовании он приклеивается к растягивающемуся фланцу сечения, одновременно увеличивая жесткость сечения и понижая нейтральную ось , тем самым значительно снижая максимальное растягивающее напряжение в чугуне.

В Соединенных Штатах предварительно напряженные бетонные цилиндрические трубы (PCCP) составляют подавляющее большинство водопроводных магистралей. Из-за их большого диаметра отказы PCCP обычно катастрофичны и затрагивают большие группы населения. Примерно 19 000 миль (31 000 км) PCCP были установлены между 1940 и 2006 годами. Коррозия в форме водородного охрупчивания была признана причиной постепенного ухудшения состояния предварительно напряженных проводов во многих линиях PCCP. За последнее десятилетие для внутренней облицовки PCCP использовались CFRP, что привело к созданию полностью структурно усиленной системы. Внутри линии PCCP футеровка CFRP действует как барьер, который контролирует уровень деформации, испытываемой стальным цилиндром в принимающей трубе. Композитная футеровка позволяет стальному цилиндру работать в пределах его упругого диапазона, чтобы гарантировать сохранение долгосрочной производительности трубопровода. Конструкции футеровки CFRP основаны на совместимости деформации между футеровкой и принимающей трубой. ^[32]

Углепластики являются более дорогими материалами, чем их обычно используемые аналоги в строительной отрасли, полимеры, армированные стекловолокном (GFRP) и полимеры, армированные арамидным волокном (AFRP), хотя в целом считается, что у углепластиков превосходные свойства. Продолжается много исследований по использованию углепластиков как для модернизации, так и в качестве альтернативы стали в качестве армирующих или предварительно напряженных материалов. Стоимость остается проблемой, и вопросы долгосрочной прочности все еще остаются. Некоторые обеспокоены хрупкостью углепластиков в отличие от пластичности стали. Хотя такие институты, как Американский институт бетона , разработали нормы проектирования , среди инженерного сообщества по-прежнему сохраняются некоторые колебания относительно внедрения этих альтернативных материалов. Отчасти это связано с отсутствием стандартизации и запатентованным характером комбинаций волокна и смолы на рынке.

Микроэлектроды из углеродного волокна

Углеродные волокна используются для изготовления углеродно-волоконных микроэлектродов . В этом применении обычно одно углеродное волокно диаметром 5–7 мкм запечатывается в стеклянный капилляр. ^[33] На конце капилляр либо запечатывается эпоксидной смолой и полируется для изготовления углеродно-волоконного дискового микроэлектрода, либо волокно разрезается до длины 75–150 мкм для изготовления углеродно-волоконного цилиндрического электрода. Углеродно-волоконные микроэлектроды используются либо в амперометрии , либо в циклической вольтамперометрии с быстрым сканированием для обнаружения биохимической сигнализации.

Спортивные товары

Каноэ из углеродного волокна и кевлара (Placid Boatworks Rapidfire на Adirondack Canoe Classic )

В настоящее время углепластик широко используется в спортивном оборудовании, например, в ракетках для сквоша, тенниса и бадминтона, спортивных кайт- рейках, высококачественных стреловых древках, хоккейных клюшках, удочках, досках для серфинга , высококачественных ластах для плавания и гребных снарядах . Спортсмены-ампутанты, такие как Джонни Пикок, используют лезвия из углеродного волокна для бега. Он используется в качестве пластины голени в некоторых баскетбольных кроссовках, чтобы поддерживать устойчивость стопы, обычно проходит по всей длине обуви чуть выше подошвы и остается открытым в некоторых областях, обычно в области свода.

Спорным является тот факт, что в 2006 году биты для крикета с тонким слоем углеродного волокна на спине были введены и использовались в соревновательных матчах такими известными игроками, как Рики Понтинг и Майкл Хасси . Углеродное волокно, как утверждалось, просто увеличивает прочность бит, но оно было запрещено на всех матчах первого класса ICC в 2007 году. ^[34]

Рама велосипеда из углепластика весит меньше, чем рама из стали, алюминия или титана той же прочности. Тип и ориентация переплетения углеродного волокна могут быть спроектированы для максимальной жесткости в требуемых направлениях. Рамы можно настраивать для разных стилей езды: для спринтерских соревнований требуются более жесткие рамы, в то время как для соревнований на выносливость могут потребоваться более гибкие рамы для комфорта гонщика в течение более длительных периодов. ^[35] Разнообразие форм, в которые его можно встроить, еще больше увеличило жесткость, а также позволило использовать аэродинамические секции труб. Вилки из углепластика , включая коронки вилок подвески и рулевые тяги, рули , подседельные штыри и шатуны , становятся все более распространенными на средних и дорогих велосипедах. Обода из углепластика остаются дорогими, но их устойчивость по сравнению с алюминием снижает необходимость повторной правки колеса, а уменьшенная масса снижает момент инерции колеса. Спицы из углепластика встречаются редко, и большинство карбоновых колесных пар сохраняют традиционные спицы из нержавеющей стали. Углеродные волокна также все чаще встречаются в других компонентах, таких как детали переключателя передач, рычаги и корпуса тормозов и переключателей передач, держатели кассетных звездочек, тяги подвески, роторы дисковых тормозов, педали, подошвы обуви и направляющие седла. Несмотря на прочность и легкость, удары, чрезмерная затяжка или неправильная установка компонентов из углеволокна привели к трещинам и поломкам, которые может быть трудно или невозможно отремонтировать. ^{[36] [37]}

Другие приложения

Медиаторы Dunlop "Max-Grip" из углеродного волокна. Размеры 1 мм и Jazz III.

Огнестойкость полимеров и термореактивных композитов значительно улучшается, если тонкий слой углеродных волокон отформован вблизи поверхности, поскольку плотный, компактный слой углеродных волокон эффективно отражает тепло. ^[38]

Версии Strandberg Boden Plini со сквозным грифом и с болтовым креплением, в обеих версиях используются армирующие полосы из углеродного волокна для поддержания жесткости.

Углепластики все чаще используются в производстве высокотехнологичных изделий, требующих жесткости и малого веса, в том числе:

• Музыкальные инструменты, включая скрипичные смычки; медиаторы, грифы (стержни из углеродного волокна) и защитную накладку; барабанные корпуса; волыночные чантеры; фортепианные механизмы; и целые музыкальные инструменты, такие как виолончели, альты и скрипки из углеродного волокна, акустические гитары и укулеле; а также аудиокомпоненты, такие как проигрыватели и громкоговорители.
• В огнестрельном оружии его используют для замены некоторых металлических, деревянных и стеклопластиковых компонентов, однако многие внутренние детали по-прежнему изготавливаются только из металлических сплавов, поскольку современные армированные пластики для этого не подходят.
• Высокопроизводительные корпуса дронов и другие радиоуправляемые компоненты транспортных средств и самолетов, такие как лопасти несущих винтов вертолетов.
• Легкие шесты, такие как: штативные ножки, шесты для палаток, удочки, бильярдные кии, трости для ходьбы и шесты с большой высотой подъема, например, для мытья окон.
• В стоматологии штифты из углеродного волокна используются при восстановлении зубов с леченными корневыми каналами.
• Рельсовые тележки поездов для пассажирских перевозок. Это снижает вес до 50% по сравнению с металлическими тележками, что способствует экономии энергии. ^[39]
• Корпуса для ноутбуков и другие высокопроизводительные корпуса.
• Углеродные тканые ткани. ^{[40] [41]}
• Стрельба из лука: стрелы и болты из углеродного волокна, ложа (для арбалетов) и рукоятки (для вертикальных луков), а также направляющие.
• В качестве нити для процесса 3D-печати методом послойного наплавления ^[42] используется армированный углеродным волокном пластик (полиамидно-углеродная нить), который используется для производства прочных, но легких инструментов и деталей благодаря своей высокой прочности и длине разрыва. ^[43]
• Восстановление трубопровода централизованного теплоснабжения методом CIPP.

Утилизация и переработка

Углепластики имеют длительный срок службы при защите от солнца. Когда приходит время выводить из эксплуатации углепластики, их нельзя расплавить на воздухе, как многие металлы. Если углепластики не содержат винил (ПВХ или поливинилхлорид ) и другие галогенированные полимеры, их можно термически разложить путем термической деполимеризации в бескислородной среде. Это можно сделать на нефтеперерабатывающем заводе в одностадийном процессе. Затем возможно улавливание и повторное использование углерода и мономеров. Углепластики также можно измельчать или измельчать при низкой температуре для восстановления углеродного волокна; однако этот процесс значительно укорачивает волокна. Как и в случае с переработанной бумагой, укороченные волокна делают переработанный материал слабее исходного материала. Существует еще много промышленных применений, которым не нужна прочность полноразмерного армирования углеродным волокном. Например, измельченное регенерированное углеродное волокно можно использовать в бытовой электронике, такой как ноутбуки. Он обеспечивает превосходное усиление используемых полимеров, даже если ему не хватает соотношения прочности и веса, необходимого для аэрокосмических компонентов.

Полимер, армированный углеродными нанотрубками (CNRP)

В 2009 году компания Zyvex Technologies представила эпоксидную смолу, армированную углеродными нанотрубками, и углеродные препреги . ^{[44] Полимер, армированный} углеродными нанотрубками (CNRP), в несколько раз прочнее и жестче, чем типичные CFRP, и используется в Lockheed Martin F-35 Lightning II в качестве конструкционного материала для самолетов. ^[45] CNRP по-прежнему использует углеродное волокно в качестве основного армирования, ^[46] но связующей матрицей является эпоксидная смола, заполненная углеродными нанотрубками. ^[47]

Смотрите также

• Углеродные волокна  – волокна материала диаметром около 5–10 мкм, состоящие из углерода.
• Композитный ремонт  – Подготовка и нанесение композитной ремонтной заплатки
• Механика беговых лезвий Оскара Писториуса  – Лезвия, используемые южноафриканским паралимпийским бегуном Оскаром Писториусом
• Усиленный углерод-углеродный  композитный материал на основе графита
• Кованое углеродное волокно
• Углерод-керамика
• Карботаниум

Ссылки

1. Nguyen, Dinh; Abdullah, Mohammad Sayem Bin; Khawarizmi, Ryan; Kim, Dave; Kwon, Patrick (2020). «Влияние ориентации волокон на износ инструмента при обрезке кромок ламинатов из углеродного волокна (CFRP)». Wear . 450–451. Elsevier BV: 203213. doi : 10.1016/j.wear.2020.203213. ISSN  0043-1648. S2CID  214420968.
2. Гейер, Норберт; Давим, Дж. Пауло; Салаи, Тибор (1 октября 2019 г.). «Усовершенствованные режущие инструменты и технологии для сверления композитов из углеродного волокна, армированного полимерами (CFRP): обзор». Композиты, часть A: прикладная наука и производство . 125 : 105552. doi : 10.1016/j.compositesa.2019.105552. hdl : 10773/36722 .
3. Дрансфилд, Кимберли; Бейли, Кэролайн; Май, Ю-Винг (1 января 1994 г.). «Улучшение сопротивления расслаиванию CFRP путем сшивания — обзор». Composites Science and Technology . 50 (3): 305–317. doi :10.1016/0266-3538(94)90019-1.
4. Кудо, Нацуко; Фудзита, Рёхей; Оя, Ютака; Сакаи, Такенобу; Нагано, Хосэй; Коянаги, Джун (30 июня 2023 г.). «Идентификация невидимых усталостных повреждений термореактивной эпоксидной смолы с помощью неразрушающего термического измерения с использованием генерации энтропии». Advanced Composite Materials . 33 (2): 1–17. doi : 10.1080/09243046.2023.2230687 . ISSN  0924-3046.
5. Копелиович, Дмитрий. "Углеродные армированные полимерные композиты". Архивировано из оригинала 14 мая 2012 г.. substech.com
6. Corum, JM; Battiste, RL; Liu, K. C; Ruggles, MB (февраль 2000 г.). "Basic Properties of Reference Crossply Carbon-Fiber Composite, ORNL/TM-2000/29, Pub57518" (PDF) . Национальная лаборатория Оук-Ридж. Архивировано (PDF) из оригинала 27 декабря 2016 г.
7. Кортни, Томас (2000). Механическое поведение материалов . Соединенные Штаты Америки: Waveland Press, Inc. стр. 247–249. ISBN 1-57766-425-6.
8. Чавла, Кришан (2013). Композитные материалы . Соединенные Штаты Америки: Springer. ISBN 978-0-387-74364-6.
9. Ляо, Бинбин; Ван, Пандин; Чжэн, Цзиньян; Цао, Сяофэй; Ли, Ин; Ма, Цюаньцзинь; Тао, Ран; Фан, Дайнин (1 сентября 2020 г.). «Влияние положений двойного удара на поведение удара при низкой скорости и механизм помехоустойчивости композитных ламинатов». Композиты, часть A: прикладная наука и производство . 136 : 105964. doi : 10.1016/j.compositesa.2020.105964. ISSN  1359-835X.
10. Ляо, Бинбин; Ван, Пандин; Чжэн, Цзиньян; Цао, Сяофэй; Ли, Ин; Ма, Цюаньцзинь; Тао, Ран; Фан, Дайнин (1 сентября 2020 г.). «Влияние положений двойного удара на поведение удара при низкой скорости и механизм помехоустойчивости композитных ламинатов». Композиты, часть A: прикладная наука и производство . 136 : 105964. doi : 10.1016/j.compositesa.2020.105964. ISSN  1359-835X.
11. Ma, Binlin; Cao, Xiaofei; Feng, Yu; Song, Yujian; Yang, Fei; Li, Ying; Zhang, Deyue; Wang, Yipeng; He, Yuting (15 февраля 2024 г.). "Сравнительное исследование низкоскоростного ударного поведения ламинатов из композита UD, тканого и гибридного ламината UD/тканого FRP". Композиты, часть B: Инженерное дело . 271 : 111133. doi : 10.1016/j.compositesb.2023.111133. ISSN  1359-8368.
12. Аминакабари, Нариман; Кабир, Мохаммад Заман; Рахаи, Алиреза; Хоссейнния, Амирали (1 января 2024 г.). «Экспериментальная и численная оценка бетонных балок, армированных стеклопластиком, при последовательном низкоскоростном ударном нагружении». Международный журнал гражданского строительства . 22 (1): 145–156. doi :10.1007/s40999-023-00883-9. ISSN  2383-3874.
13. Ray, BC (1 июня 2006 г.). «Влияние температуры во время влажностного старения на интерфейсы армированных стекловолокном и углеродными волокнами эпоксидных композитов». Журнал коллоидной и интерфейсной науки . 298 (1): 111–117. Bibcode : 2006JCIS..298..111R. doi : 10.1016/j.jcis.2005.12.023. PMID  16386268.
14. Альмудайхеш, Файзел; Холфорд, Карен; Пуллин, Рис; Итон, Марк (1 февраля 2020 г.). «Влияние поглощения воды на однонаправленные и двумерные тканые композиты из углепластика и их механические характеристики». Композиты Часть B: Инженерное дело . 182 : 107626. doi : 10.1016/j.compositesb.2019.107626. ISSN  1359-8368. S2CID  212969984. Архивировано из оригинала 1 октября 2021 г. . Получено 1 октября 2021 г. .
15. Гусман, Энрике; Куньони, Жоэль; Гмюр, Томас (май 2014 г.). «Многофакторные модели композита из углеродного волокна и эпоксидной смолы, подвергнутого ускоренному старению под воздействием окружающей среды». Композитные структуры . 111 : 179–192. doi :10.1016/j.compstruct.2013.12.028.
16. Яри, Мехди (24 марта 2021 г.). «Гальваническая коррозия металлов, соединенных с полимерами, армированными углеродным волокном». Corrosionpedia.com . Архивировано из оригинала 24 июня 2021 г. . Получено 21 июня 2021 г. .
17. "How is it Made". Zoltek. Архивировано из оригинала 19 марта 2015 года . Получено 26 марта 2015 года .
18. Сайед Мобин, Сайед Мобин; Азгерпаша, Шаик (2019). «Испытания на растяжение композитных материалов (CFRP) с клеем» (PDF) . Международный журнал новых научных и инженерных разработок . 5 (12): 6. Архивировано (PDF) из оригинала 21 августа 2022 г. . Получено 21 августа 2022 г. – через IJESE.
19. Glass Companies, Molded Fiber (2018), Technical Design Guide for FRP Composite Products and Parts (PDF) , т. 1, стр. 25, архивировано из оригинала (PDF) 21 августа 2022 г. , извлечено 21 августа 2022 г.
20. Неизвестно, Крис (22 января 2020 г.). «Методы производства композитных материалов». Исследуйте композиты! . Архивировано из оригинала 21 августа 2022 г. . Получено 21 августа 2022 г. .
21. "Taking the lead: A350XWB presentation" (PDF) . EADS. Декабрь 2006 г. Архивировано из оригинала 27 марта 2009 г.{{cite web}}: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка )
22. "AERO – Boeing 787 from the Ground Up". Boeing. 2006. Архивировано из оригинала 21 февраля 2015 года . Получено 7 февраля 2015 года .
23. Пора, Жером (2001). «Композитные материалы в Airbus A380 – от истории к будущему» (PDF) . Airbus. Архивировано (PDF) из оригинала 6 февраля 2015 г. . Получено 7 февраля 2015 г. .
24. Гусман, Энрике; Гмюр, Томас (реж.) (2014). Новый метод мониторинга состояния конструкций из полномасштабного углепластика (PDF) (диссертация). Кандидатская диссертация EPFL. doi :10.5075/epfl-thesis-6422. Архивировано (PDF) из оригинала 25 июня 2016 г.
25. "Двигатели". Flight International . 26 сентября 1968 г. Архивировано из оригинала 14 августа 2014 г.
26. «Red Bull's How To Make An F1 Car Series Explains Carbon Fiber Use: Video» (Как сделать автомобиль серии Формулы-1 объясняет использование углеродного волокна: видео). motorauthority . 25 сентября 2013 г. Архивировано из оригинала 29 сентября 2013 г. Получено 11 октября 2013 г.
27. Генри, Алан (1999). McLaren: Formula 1 Racing Team . Хейнс. ISBN 1-85960-425-0.
28. Говард, Билл (30 июля 2013 г.). «BMW i3: дешевые, массовые автомобили из углеродного волокна наконец-то достигли зрелости». Extreme Tech . Архивировано из оригинала 31 июля 2015 г. Получено 31 июля 2015 г.
29. Petrány, Máté (17 марта 2014 г.). «Michelin Made Carbon Fiber Wheels For Citroën Back In 1971». Jalopnik . Архивировано из оригинала 18 мая 2015 г. Получено 31 июля 2015 г.
30. L:aChance, Дэвид (апрель 2007 г.). «Изобретая колесо. Предоставьте Citroën возможность вывести на рынок первые в мире колеса из смолы». Hemmings . Архивировано из оригинала 6 сентября 2015 г. Получено 14 октября 2015 г.
31. Исмаил, Н. «Укрепление мостов с использованием композитов на основе углепластика». najif.net.
32. Рахман, С. (ноябрь 2008 г.). «Не напрягайте предварительно напряженные бетонные цилиндрические трубы при отказах». Opflow Magazine . 34 (11): 10–15. Bibcode : 2008Opflo..34k..10R. doi : 10.1002/j.1551-8701.2008.tb02004.x. S2CID  134189821. Архивировано из оригинала 2 апреля 2015 г.
33. Пайк, Кэролин М.; Грабнер, Чад П.; Харкинс, Эми Б. (4 мая 2009 г.). «Изготовление амперометрических электродов». Журнал визуализированных экспериментов (27). doi :10.3791/1040. PMC 2762914. PMID  19415069 . 
34. «ICC и Kookaburra соглашаются на отзыв Carbon Bat». NetComposites. 19 февраля 2006 г. Архивировано из оригинала 28 сентября 2018 г. Получено 1 октября 2018 г.
35. "Carbon Technology". Look Cycle. Архивировано из оригинала 30 ноября 2016 года . Получено 30 ноября 2016 года .
36. "The Perils of Progress". Bicycling Magazine . 16 января 2012 г. Архивировано из оригинала 23 января 2013 г. Получено 16 февраля 2013 г.
37. "Busted Carbon". Архивировано из оригинала 30 ноября 2016 года . Получено 30 ноября 2016 года .
38. Чжао, З.; Гоу, Дж. (2009). «Улучшенная огнестойкость термореактивных композитов, модифицированных углеродными нановолокнами». Sci. Technol. Adv. Mater . 10 (1): 015005. Bibcode : 2009STAdM..10a5005Z. doi : 10.1088/1468-6996/10/1/015005. PMC 5109595. PMID  27877268 . 
39. "Carbon fiber armor plastic bogies on test". Railway Gazette . 7 августа 2016 г. Архивировано из оригинала 8 августа 2016 г. Получено 9 августа 2016 г.
40. Ломов, Степан В.; Горбатых, Лариса; Котаньяц, Желько; Койссин, Виталий; Уль, Матье; Роше, Оливье; Карахан, Мехмет; Меццо, Лука; Верпоест, Игнаас (февраль 2011 г.). "Сжимаемость углеродных тканых тканей с углеродными нанотрубками/нанофибрами, выращенными на волокнах" (PDF) . Композитная наука и технология . 71 (3): 315–325. doi :10.1016/j.compscitech.2010.11.024.
41. Ганс, Крайс (2 июля 2014 г.). "Углеродные тканые ткани". compositesplaza.com . Архивировано из оригинала 2 июля 2018 г. . Получено 2 января 2018 г. .
42. Али Нахран, Шакила; Сахарудин, Мохд Шахнил; Мохд Джани, Джарони; Ван Мухаммад, Ван Мансор (2022). «Ухудшение механических свойств, вызванное химической обработкой ацетоном композитов из ПЛА-углеродного волокна, напечатанных на 3D-принтере». В Исмаиле, Азмане; Дахалан, Вардиа Мохд; Охснер, Андреас (ред.). Проектирование в морской технике . Современные структурированные материалы. Том 167. Cham: Springer International Publishing. стр. 209–216. doi :10.1007/978-3-030-89988-2_16. ISBN 978-3-030-89988-2. S2CID  246894534.
43. «Полиамидная нить CF – 3D Druck mit EVO-tech 3D Druckern» [Полиамидная нить CF – 3D-печать на 3D-принтерах EVO-tech] (на немецком языке). Австрия: ЭВО-тех. Архивировано из оригинала 30 апреля 2019 года . Проверено 4 июня 2019 г.
44. "Zyvex Performance Materials запускает линейку нано-улучшенных клеев, которые добавляют прочность, сокращают расходы" (PDF) (пресс-релиз). Zyvex Performance Materials. 9 октября 2009 г. Архивировано из оригинала (PDF) 16 октября 2012 г. Получено 26 марта 2015 г.
45. Trimble, Stephen (26 мая 2011 г.). "Lockheed Martin reveals F-35 to feature nanocomposite structures". Flight International . Архивировано из оригинала 30 мая 2011 г. Получено 26 марта 2015 г.
46. Pozegic, TR; Jayawardena, KDGI; Chen, JS.; Anguita, JV; Ballocchi, P.; Stolojan, V.; Silva, SRP; Hamerton, I. (1 ноября 2016 г.). «Разработка многофункциональных нанокомпозитов из углеродного волокна без размеров». Композиты Часть A: Прикладная наука и производство . 90 : 306–319. doi :10.1016/j.compositesa.2016.07.012. hdl : 1983/9e3d463c-20a8-4826-89f6-759e950f43e6 . ISSN  1359-835X. S2CID  137846813. Архивировано из оригинала 1 октября 2021 г. Получено 1 октября 2021 г.
47. "AROVEX™ Nanotube Enhanced Epoxy Resin Carbon Fiber Prepreg – Material Safety Data Sheet" (PDF) . Zyvex Performance Materials. 8 апреля 2009 г. Архивировано из оригинала (PDF) 16 октября 2012 г. Получено 26 марта 2015 г.

Внешние ссылки

• Ассоциация производителей углеродного волокна Японии (на английском языке)
• Инженеры разрабатывают композитную систему поддержки для травмированного полузащитника «Хоки» Седрика Хьюмса
• The New Steel, статья в Flight 1968 года об объявлении об использовании углеродного волокна
• Углеродные волокна – первые пять лет. Статья в журнале Flight 1971 года об углеродном волокне в области авиации.