Углеродное волокно (карбон) – строительный материал будущего

Углеродное волокно (карбон) – строительный материал будущего

Композиты CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer) — современные облегчённые и прочные материалы. Этот вид композитов наиболее удачно подходит для производства огромного числа продуктов, используемых в повседневной жизни. Углеродные армированные полимерные композиты – это структура, армированная волокнами углерода, выступающего в качестве главного структурного компонента. Следует отметить: символ «Р» аббревиатуры CFRP допускает расшифровку «пластик», а не только «полимер».

О композитных материалах будущего

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

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

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

Преимущества композитов CFRP

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

  1. Стекловолокно.
  2. Арамидное волокно.

Поэтому свойства композитов CFRP являются более предпочтительными для современных технологий.

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

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

Между тем композит CFRP с тем же содержанием в 70% углеродного волокна, имеет плотность 0,025 грамма на 25,4 мм3. Разница в 10 раз.

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

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

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

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

На этом моменте становится вполне очевидным, почему всемирно известные автомобильные компании сильно интересуются технологиями применения углеродного волокна вместо стали.

Если сравнивать композиты CFRP с алюминием, который имеет славу одного из самых легких металлов, здесь в объёмной составляющей алюминиевая структура с равной прочностью окажется в 1,5 раза больше, нежели структура углеродного волокна.

Конечно, найдётся достаточное количество факторов, которые могут оказать влияние на отмеченные сравнения. К примеру, сорт и качество материалов могут давать несколько другие результаты. К тому же относительно композитов следует учитывать производственный процесс, архитектуру волокон, их качество.

Недостатки композитов CFRP

Композиты CFRP уникальные продукты, но есть серьёзная причина, заставляющая понимать, почему углеродное волокно активно не используется в гражданском строительстве.

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

На текущий момент материалы CFRP остаются ещё сильно дорогостоящим. Правда, цена зачастую зависит от конкретных факторов:

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

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

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

Но этот недостаток трудно считать таковым, если отталкиваться от конкретной сферы применения. Где-то электропроводимость углеродного волокна может из недостатка стать преимуществом.

Стекловолоконная ткань
Близкий родственник карбона — стекловолокно. Этот материал тоже обладает уникальными свойствами, но до углеродного волокна ему далеко. Единственное преимущество стекловолокна — свойства изолятора

Опять же, если сравнивать стекловолокно, этот продукт, напротив, слывёт хорошим изолятором. Именно поэтому многие технологии строятся на использовании стекловолокна.

Их невозможно перестроить на углеродное волокно или металл по причине наличия свойств высокой электропроводимости металла и карбона.

Карбон и перспективы развития

Углеродный волокнистый материал – карбон, обещает широкий диапазон применения, поскольку может быть образован при различных плотностях в безграничные формы и размеры. На современном этапе традиционными формами карбона являются:

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

Каждая из форм может быть изготовлена на заказ в любом количестве составных частей и кусков.

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

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

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

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

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

Тем не менее, широкого внедрения углеродного волокна пока что не наблюдается. Обусловлены ограничения, прежде всего, высокой себестоимостью производства материала.

Сложности массового производства требуют вливания значительных средств. Этим фактом обусловлена нынешняя дороговизна карбона.

Например, производство только лишь одного велосипеда из карбона обойдётся производителю более чем в сто тысяч рублей.

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

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

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

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

Пародия на углеродное волокно

На фоне удивительных свойств карбона традиционно активизировались любители выдавать желаемое за действительное. Рынок наполнился предложениями относительно дешёвого углеродного волокна. Внешне продукт действительно похож на карбон, но только внешне.

Фактически, выдаваемые за карбон синтетические материалы являются обычным пластиком, внешне напоминающим углеродное волокно. Такие изделия можно часто встретить среди компонентов компьютерной и другой бытовой техники.

Стекловолокно под углеродное волокно
На площадках некоторых интернет магазинов предлагается материал внешне похожий на углеродное волокно. На самом деле это обычное стекловолокно

Карбон легко перепутать с другим материалом – стекловолокном, и этим тоже пользуются недобросовестные продавцы рынка. Но стекловолокно, структурно усиленно нитями кварцевого стекла, а никак не углеродом.

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

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

Углебетон – производная углеродного волокна

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

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

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

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

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

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

Таким способом получают заливную конструкцию нужной толщины и других размеров.

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

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

Углеродные ламели: продолжение эпопеи карбона

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

Углеродные ламели в строительстве
Примерно так выглядит процесс усиления строительной конструкции, благодаря использованию ламелей из углеродного волокна

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

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

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

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

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

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

Начало массового производства углеродного волокна в России


При помощи материалов: ThoughtCo.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *