Прекурсоры: ПАН, пек и вискоза
Свойства углеродного волокна во многом определяются исходным сырьём — прекурсором. Это различие закреплено и нормативно: ГОСТ Р 57970-2017 при классификации углерод-углеродных композитов выделяет их по типу применённого волокна — на основе полиакрилонитрила (ПАН), на основе пека, на основе вискозы и содержащие смесь углеродных волокон.
Коммерчески значимы сегодня две ветви — ПАН и мезофазный пек, причём на ПАН приходится порядка 90 % мирового производства. Вискозные (гидратцеллюлозные) волокна исторически были одними из первых промышленных углеродных волокон и сохраняют значение в отдельных специальных материалах, но основой массового конструкционного углеволокна не являются.
ПАН-волокно
Сырьё: полиакрилонитрил и сополимеры на его основе.
Технология: формование прекурсора, окислительная стабилизация при 200–300 °C, карбонизация при 1000–1600 °C в инертной среде, при необходимости графитация, затем поверхностная обработка и аппретирование.
Выход углерода: порядка 50–55 % от массы прекурсора.
Свойства: основная сырьевая база для высокопрочных конструкционных волокон; режимами обработки получают стандартномодульные, промежуточномодульные и высокомодульные марки.
Применение: авиация, сосуды высокого давления, автомобилестроение, спорт, строительство, машиностроение.
Пековое волокно
Сырьё: нефтяные и каменноугольные пеки; для высокомодульных марок — мезофазный пек.
Технология: получение мезофазы, формование, стабилизация, карбонизация и высокотемпературная графитация.
Выход углерода: существенно выше, чем у ПАН, — порядка 75–85 %.
Свойства: позволяет получать рекордные значения модуля упругости и теплопроводности вдоль волокна; прочность при этом обычно уступает лучшим ПАН-маркам.
Применение: космическая техника, системы отвода тепла, размеростабильные конструкции, специальные композиты.
Вискозное (гидратцеллюлозное) волокно
Сырьё: регенерированная целлюлоза.
Технология: предварительная термообработка, карбонизация, для отдельных материалов — высокотемпературная обработка под натяжением.
Выход углерода: низкий, обычно порядка 10–30 %, что во многом и определило вытеснение вискозы из массового производства.
Свойства: обычные марки уступают конструкционным ПАН-волокнам по прочности и жёсткости.
Применение: исторически — теплозащитные и абляционные материалы, углерод-углеродные композиты; также активированные углеродные волокна и сорбенты.
Сопоставление прекурсоров
| Характеристика | ПАН | Мезофазный пек | Вискоза |
|---|---|---|---|
| Роль в современном производстве | Основной прекурсор конструкционного волокна | Специальные высокомодульные и теплопроводные волокна | Исторический и узкоспециальный |
| Выход углерода | около 50–55 % | около 75–85 % | около 10–30 % |
| Достижимый модуль упругости | 230–590 ГПа в серийных марках | наивысшие значения, свыше 800 ГПа у отдельных марок | сравнительно низкий у обычных марок |
| Достижимая прочность | наивысшая среди промышленных волокон | обычно ниже, чем у лучших ПАН-марок | ниже конструкционного уровня |
| Теплопроводность вдоль волокна | единицы — десятки Вт/(м·К) | сотни Вт/(м·К) | низкая |
| Доступность номиналов жгута | от 1K до 50K и выше | ограниченная номенклатура | ограниченная номенклатура |
Важно: происхождение волокна от того или иного прекурсора само по себе не позволяет судить о пригодности материала для конкретной конструкции, высокотемпературного узла или медицинского изделия. Решают марка волокна, тип связующего, технология изготовления, состояние поверхности и подтверждённые испытаниями характеристики готового изделия.
Электрические свойства углеродного ровинга
В отличие от стеклянных, базальтовых и арамидных волокон, углеродное волокно проводит электрический ток. Проводимость обусловлена строением углеродного материала и зависит от прекурсора, степени термообработки и ориентации структурных элементов: с ростом упорядоченности структуры растут и модуль упругости, и электропроводность.
Практический вывод: номинал 3K, 12K или 24K сам по себе не задаёт сопротивление жгута. Сопротивление рассчитывается по удельному сопротивлению конкретной марки, диаметру филамента и их количеству. Два жгута одного номинала K из разных волокон различаются по сопротивлению в полтора раза и более.
Как рассчитать сопротивление жгута
Сопротивление участка ровинга определяется обычным соотношением R = ρ·L/S, где ρ — удельное электрическое сопротивление волокна, L — длина участка, S — суммарная площадь проводящего сечения всех филаментов: S = N·πd²/4, где N — число филаментов, d — диаметр филамента.
В таблице ниже приведён результат такого расчёта для двух реальных марок: T300 (d = 7 мкм, ρ = 1,7 ×10⁻³ Ом·см) и T800S (d = 5 мкм, ρ = 1,3 ×10⁻³ Ом·см).
| Номинал жгута | Сопротивление 1 м, волокно типа T300 | Сопротивление 1 м, волокно типа T800S |
|---|---|---|
| 1K | около 440 Ом | около 660 Ом |
| 3K | около 150 Ом | около 220 Ом |
| 6K | около 74 Ом | около 110 Ом |
| 12K | около 37 Ом | около 55 Ом |
| 24K | около 18 Ом | около 28 Ом |
Одинаковый номинал 12K даёт 37 и 55 Ом на метр в зависимости от марки — разница в полтора раза. Для крупного жгута ZOLTEK PX35 (50K, d = 7,2 мкм, ρ = 1,55 ×10⁻³ Ом·см) тот же расчёт даёт около 7,6 Ом на метр.
Поэтому таблицы вида «12K = столько-то Ом/м» без указания марки волокна некорректны: приведённые значения справедливы только для волокон с указанными ρ и d и являются расчётной оценкой, которую при проектировании необходимо проверять измерением.
Что ещё влияет на результат
| Фактор | Влияние |
|---|---|
| Марка волокна | Задаёт удельное сопротивление и диаметр филамента — два основных параметра расчёта |
| Число филаментов | Филаменты работают как параллельные проводники: вдвое больше нитей — вдвое меньше сопротивление |
| Длина участка | Сопротивление пропорционально длине |
| Контакты и заделка концов | Переходное сопротивление контакта часто превышает сопротивление самого жгута и приводит к локальному перегреву |
| Обрывы филаментов | Повреждение части нитей увеличивает сопротивление участка — на этом основаны методы мониторинга |
| Наличие аппрета и связующего | Полимерные слои изолируют филаменты друг от друга и от электродов, влияя на схему протекания тока |
| Температура | Характер температурной зависимости определяется материалом и режимом и устанавливается экспериментально |
Практическое использование электрофизических свойств
Через углеродный ровинг можно пропускать ток и получать тепло за счёт эффекта Джоуля. Так строят нагревательные элементы, антиобледенительные системы и функциональные композиты, в том числе для нагрева форм при отверждении.
Мощность определяется сопротивлением участка и приложенным напряжением, поэтому длина, номинал, схема подключения и допустимая температура рассчитываются для каждой системы отдельно; отдельно прорабатывается заделка контактов. Важно: саморегулирование не является собственным свойством углеродного ровинга — выраженный положительный температурный коэффициент и эффект самоограничения мощности получают в специально спроектированных проводящих полимерных композитах, где механизм связан с изменением проводящей сети при нагреве.
Углепластик проводит ток, но его проводимость на несколько порядков ниже проводимости алюминия. Поэтому собственная электропроводность углепластика не заменяет систему молниезащиты.
В авиационных композитных конструкциях для распределения и отвода тока молнии применяют дополнительные проводящие элементы: медные или алюминиевые сетки и фольгу на поверхности обшивки, металлизацию, специально спроектированные электрические соединения и металлизированный крепёж. Отдельно решается вопрос гальванической совместимости: прямой контакт углепластика с алюминием без изолирующего слоя вызывает коррозию алюминия.
Электропроводящие углеродные наполнители применяют для снижения уровня электромагнитных помех. Эффективность экранирования зависит от содержания и ориентации волокон, наличия электрических контактов между ними, толщины пакета и частотного диапазона, поэтому оценивается измерением для конкретной конструкции.
Электрическое сопротивление углеродного волокна и углепластика изменяется при деформировании и накоплении повреждений. На этом основаны системы самодиагностики: по изменению сопротивления регистрируют деформации, обрывы филаментов и расслоения.
Практическая схема измерения зависит от типа композита, направления армирования и расположения электродов; на результат заметно влияет переходное сопротивление контактов, что требует калибровки системы.
Технологии переработки углеродного ровинга
Ровинг либо перерабатывают в промежуточные армирующие материалы (ткани, ленты, препреги, плетёные рукава), либо вводят в изделие непосредственно. Выбор технологии определяет требования к номиналу жгута, типу аппрета и намоточным характеристикам бобины.
Ровинг пропитывается связующим и укладывается на вращающуюся оправку по заданной траектории. Основной метод изготовления тел вращения: сосудов высокого давления, баллонов, труб, валов, корпусов. Позволяет получать высокую объёмную долю армирования и точно ориентировать волокно по направлению главных напряжений. Требует нескрученного жгута, стойкого к раскрытию и трению о направляющие.
Непрерывное протягивание пропитанного ровинга через нагретую фильеру с получением профиля постоянного сечения: ламелей, полос, стержней, уголков, труб. Отличается высокой производительностью и стабильностью геометрии. В строительстве именно пултрузией получают углепластиковые ламели для внешнего армирования.
Из ровинга изготавливают ткани различных переплетений, мультиаксиальные полотна и плетёные рукава. Для тканей чаще применяют 3K, 6K и 12K. Плетёные рукава удобны при армировании труб и тел сложной формы, поскольку изменяют угол армирования при натяжении.
Ровинг или полученные из него ленты и ткани пропитываются связующим с частичным отверждением. Препрег обеспечивает точное и воспроизводимое содержание смолы, но требует холодного хранения и имеет ограниченный срок жизни. Основной полуфабрикат авиационного производства.
Технологии закрытого формования: сухая преформа из тканей и лент пропитывается связующим под вакуумом или давлением. Обеспечивают низкую пористость, хорошее качество поверхности и контролируемое содержание смолы при изготовлении крупных деталей.
Роботизированная укладка узких лент, нарезанных из препрега на основе крупных жгутов. Применяется в серийном авиационном производстве: обеспечивает повторяемость схемы армирования и снижает долю ручного труда на крупногабаритных агрегатах.
Ровинг рубят на отрезки заданной длины, получая рубленое углеродное волокно. Оно используется как дисперсное армирование, наполнитель термопластов для литья под давлением и как сырьё для нетканых материалов. Свойства при этом определяются уже не столько волокном, сколько длиной отрезка, содержанием и распределением в матрице.
Применение углеродного ровинга
Выбор волокна определяется требуемой прочностью и жёсткостью, допустимой массой, технологией производства, условиями эксплуатации и стоимостью изделия. Ниже — основные отрасли и то, в какой именно форме там используется материал.
Авиация и космическая техника
В авиации перерабатывается преимущественно не сам ровинг, а изготовленные из него препреги, однонаправленные ленты и ткани; непосредственно жгут применяют при намотке и автоматизированной выкладке.
- панели и силовые элементы фюзеляжа;
- кессоны крыла, элементы оперения;
- лопасти вертолётных винтов, планеры беспилотных аппаратов;
- корпусные и размеростабильные элементы космической техники;
- баллоны высокого давления, изготавливаемые намоткой;
- углерод-углеродные композиты для высокотемпературных узлов.
В современных широкофюзеляжных самолётах доля композитов достигает значительной части массы планера. Применяются квалифицированные авиационные системы «волокно — связующее», характеристики которых подтверждаются испытаниями и сертификацией; произвольная замена марки волокна в такой системе недопустима.
Автомобилестроение
Углепластики применяют там, где снижение массы оправдывает стоимость материала и технологии.
- монококи и силовые структуры спортивных автомобилей;
- кузовные панели;
- карданные валы;
- элементы подвески и колёсные диски специального исполнения;
- интерьерные и декоративные детали.
Эффект достигается не заменой металлической детали на внешне идентичную углепластиковую, а проектированием конструкции под анизотропию композита и реальные направления нагрузок. Отдельная задача серийного производства — короткий цикл формования, поэтому здесь чаще применяют крупные жгуты и технологии типа HP-RTM.
Ветроэнергетика
С ростом длины лопастей возрастают требования к жёсткости при ограниченной массе, поэтому углеродное армирование применяют выборочно — в наиболее нагруженных элементах.
- лонжеронные пояса (спар-кэпы);
- локальное усиление зон концентрации напряжений;
- гибридные стеклоуглеродные пакеты;
- элементы с повышенными требованиями к прогибу.
Основной объём конструкции лопасти по-прежнему выполняется из стеклопластика: углеродное волокно используют там, где выигрыш в жёсткости и массе оправдывает его стоимость. Для этих задач характерны крупные жгуты 50K и пултрузионные профили.
Спортивный инвентарь
В спортивных изделиях углепластик позволяет сочетать малую массу, высокую жёсткость и возможность точно задавать направление армирования.
- велосипедные рамы, вилки, ободья;
- лыжи и лыжные палки;
- хоккейные клюшки;
- теннисные и бадминтонные ракетки;
- рыболовные удилища;
- вёсла и элементы водного инвентаря.
Конечные свойства определяются не внешним видом углеткани, а маркой волокна, схемой и количеством слоёв, связующим и технологией формования. Декоративный верхний слой 3K-ткани на характеристики изделия практически не влияет.
Строительство и инфраструктура
В строительстве важно различать формы материала: исходный ровинг, рубленую фибру, однонаправленные ткани и ленты, пултрузионные ламели и стержни. Это разные продукты с разными областями применения.
- рубленое волокно применяется как углеродная фибра для дисперсного армирования;
- однонаправленные ткани и ленты используются в системах усиления строительных конструкций углеволокном;
- композитные материалы применяются при сейсмоусилении конструкций;
- из ровинга методом пултрузии получают ламели, полосы и стержни для внешнего армирования;
- углеродные системы применяют при усилении железобетонных, каменных и металлических конструкций.
Проектирование усиления железобетонных конструкций композитными материалами регламентируется СП 164.1325800.2014. Несущая способность системы внешнего армирования зависит не только от характеристик волокна, но и от типа связующего, подготовки и прочности основания, анкеровки, схемы армирования и вероятного характера разрушения, включая отслоение по бетону.
При нормировании огнестойкости критическим элементом является не волокно, а полимерное связующее и клеевой слой: их несущая способность падает при приближении к температуре стеклования конкретной применяемой смолы, которая указывается в техническом описании системы и проверяется испытаниями. Само волокно в отсутствие окисления выдерживает существенно более высокие температуры. Поэтому усиливающие системы защищают огнезащитными покрытиями и рассчитывают с учётом требуемого предела огнестойкости конструкции.
Специальная и медицинская техника
Отдельную группу составляют применения, где важны рентгенопрозрачность, размеростабильность или работа при высоких температурах в инертной среде.
- деки и элементы рентгеновских и томографических столов, кассеты — углепластик слабо поглощает рентгеновское излучение;
- элементы протезно-ортопедических изделий и ортезов;
- оснастка и позиционирующие устройства;
- теплозащитные и абляционные материалы на основе углерод-углеродных композитов.
Пригодность материала для изделий, контактирующих с организмом, определяется не прекурсором волокна, а оценкой конкретной системы «волокно — матрица — поверхность — технология» по действующим требованиям к медицинским изделиям. Общие утверждения о биосовместимости углеродных волокон как класса некорректны.
Хранение, обращение и техника безопасности
Ровинг — технологичный, но требовательный к обращению материал. Несколько практических моментов, которые чаще всего упускают.
Бобины хранят в закрытых помещениях, в заводской упаковке, вдали от источников влаги и загрязнений. Ровинг не гигроскопичен как таковой, но аппрет и поверхность волокна сорбируют влагу, что ухудшает смачивание и адгезию. Перед переработкой материал выдерживают в цеховых условиях до выравнивания температуры, чтобы исключить конденсат на холодной бобине.
При резке, шлифовании и рубке образуется электропроводящая пыль. Попадая в электрооборудование, она вызывает замыкания и отказы. Участки обработки углепластика оборудуют местной вытяжкой, а электрооборудование — соответствующей степенью защиты.
При работе с сухим волокном и при механической обработке применяют респираторы, защитные очки и перчатки: обломки филаментов раздражают кожу и дыхательные пути. Требования к связующим определяются паспортами безопасности конкретных материалов.
При входном контроле проверяют марку, номинал, тип аппрета, линейную плотность и дату изготовления. Для ответственных изделий проводят испытания пропитанных нитей и определяют фактические характеристики партии, а не опираются на общие справочные диапазоны.
Кратко о главном
Углеродный ровинг — исходный армирующий полуфабрикат, из которого получают ткани, ленты, препреги, пултрузионные профили и намоточные изделия. Его номинал K определяет размер жгута и технологичность переработки, но не механические свойства: прочность, модуль упругости и деформативность задаются маркой волокна и режимом её получения.
Основной прекурсор современного конструкционного углеволокна — полиакрилонитрил; мезофазный пек используется для высокомодульных и теплопроводных волокон, вискоза сохраняет значение в отдельных специальных материалах. Углеродное волокно электропроводно, но его проводимость на порядки ниже металлической, поэтому в авиационных конструкциях молниезащита обеспечивается отдельными металлическими элементами.
При проектировании следует опираться на паспортные данные конкретной марки, тип аппрета и результаты испытаний по действующим стандартам, а не на обобщённые справочные диапазоны: разброс характеристик внутри класса «углеродное волокно» слишком велик для универсальных таблиц.
Нормативные документы и источники
- ГОСТ 32794-2014. Композиты полимерные. Термины и определения.
- ГОСТ Р 57970-2017. Композиты углеродные. Углеродные композиты, армированные углеродным волокном. Классификация — классификация по типу применённого волокна: ПАН, пек, вискоза, смесь волокон.
- ГОСТ 32666-2014 (ISO 11567:1995). Волокно углеродное. Определение диаметра и площади поперечного сечения элементарной нити.
- ГОСТ 32667-2014 (ISO 11566:1996). Волокно углеродное. Определение свойств при растяжении элементарной нити.
- ГОСТ Р ИСО 10618-2012. Волокно углеродное. Метод определения механических свойств пропитанных смолой нитей при растяжении.
- СП 164.1325800.2014. Усиление железобетонных конструкций композитными материалами. Правила проектирования (с Изменением № 1).
- <a href="https://www.toraycma.com/wp-content/uploads/T300-Data-Sheet.
