Карбон углеволокно

Карбон, углеродное волокно, кованый карбон.

Истинные поклонники тюнинга, для которых внешний вид автомобиля не на последнем месте, хорошо знают о материалах применяемых для внешнего и внутреннего стайлинга.

Один из самых интересных и известных эффектных материалов 21 века, применяемый в тюнинге, является углеволокно или другим словом карбон.

На сайте представлено большое множество различных обзоров проектов от мировых тюнинг-ателье, в которых применяется данный материал. BMW 8 серии от AC Schnitzer, Mercedes-AMG G63 от LUMMA Design, Maserati Levante от Larte Design.

Итак, что же такое карбон? Давайте разбираться!

Что такое углеродное волокно и карбон?

Слово «карбон» пришло в русский язык из-за рубежа. Оно происходит от английского слова carbon, по-русски – сажа, углерод и технического термина carbon fiber, в переводе – углеродное волокно.

Углеродное волокно — это материал, состоящий из тончайших нитей диаметром от 5 до 15 микрометров, образованных преимущественно атомами углерода. Сами атомы углерода объединены в микрокристаллы, выровненные параллельно друг другу. Такая схема придает волокну высокую прочность на растяжение и маленький вес.

Карбон – это общее наименование группы композитных материалов, получаемых путём запекания углеродного волокна при высокой температуре в матрице из полимерных смол. В процессе полимеризации синтетические смолы, армированные высокопрочными углеродными нитями, превращаются в материалы, обладающие уникальными техническими характеристиками и эксплуатационными свойствами.

В мире существует несколько крупных заводов, производящие карбон. Венгерский Zoltek, американский Cytek, немецкий Hexcel и три японских завода – Toray, Mitsubishi и Toho. В 2015 году открыли завод по производству углеродного волокна и в России, в городе Елабуга. Строительство такого завода стало важным шагом в реализации программы импортозамещения.
Благодаря появившимся на рынке материалов российских производителей, помимо аэрокосмической отрасли и военных предприятий, карбоном заинтересовались и другие отрасли промышленности. Карбон стали активно использовать в автомобилестроении, дизайне интерьеров, производстве спортивного инвентаря и других сферах.

История карбона в автоспорте.

В автоспорт карбон пришёл в 1976 году. Британская компания McLaren стала использовать углеволоконный композит на своих спортивных автомобилях, делая отдельные детали для них. В 1981 году на трассу вышел McLaren MP4, ставший первым в истории Формулы 1 с полностью карбоновым монококом. Однако в те года технологи из автоспорта не имели малейшего понятия, как сделать самим такой монокок. Поэтому не разрушаемую капсулу для McLaren произвела американская компания Hercules Aerospace, обладающая богатым опытом военно-космических разработок. В сегодняшние дни практически все ведущие команды Формулы-1 имеют собственное производство деталей из карбона.

Преимущества и недостатки карбона.

Карбон – это не только уникальный материал для тюнинга, но и хороший способ сделать конструкцию автомобиля намного легче и прочнее. Его применяют в автомобилестроении уже много лет. И с каждым годом сфера применения данного материала расширяется. Но этот материал, также имеет свои преимущества и недостатки.

Преимущества:

• Высокая прочность на растяжении;
• маленький вес;
• минимальная подверженность коррозии;
• отличная ударопрочность;
• ремонтопригодность;
• близкий к нулю коэффициент теплового расширения;
• очень большой срок службы;
• хорошие экологические свойства.

Недостатки:

• Высокая стоимость;
• уязвимость к точечным ударам;
• уязвимость к солнечным лучам, если не предпринять мер по защите от прямого воздействия.

Что такое кованый карбон?

Кованый карбон (forged carbon) – самый новый и перспективный углеродистый материал, который по прочности превосходит сталь. В автомобильную индустрию кованый карбон попал из аэрокосмической отрасли. Исходным материалом для его создания являются тонкие переплетенные нити из резины и углеродного волокна.

Кевлар, карбон, стекловолокно, стоимость и свойства

Стекловолокно, стеклопластик, fiberglass

Самый распространенный и как следствие, самый дешевый из композитных материалов. Несмотря на свою дешевизну хороший стеклопластик обладает практически такими же прочностными свойствами как и карбон или кевлар только примерно на 50 – 70% тяжелее их. Удельная масса формованного стекловолокна около 2.5 кг на дм3, удельная прочность превосходит прочные сорта сталей в 1.5 2 раза. Стекловолокно встречается как в виде простых однонаправленных волокон, так и в стеклотканях. Стеклоткани имеют различные плетения с различной прочностью в перпендикулярных плоскостях. Также выпускают различные виды стеклохолстов и стекломатов, в которых волокна имеют хаотичное прессованное расположение, либо рубленных волокон, либо образованных одной непрерывной прессованной нитью.

При производстве стеклоткани используется парафин и если формовать ее в таком виде, то хороших прочностных характеристик вам не видать. Поэтому стекловолокно необходимо отжечь до полного удаления парафина в муфельной печи, либо приобретать уже отожженную “стеклоткань для эпоксидной смолы”. Что настоятельно рекомендуется. Стоимость 1 кг стекловолокна в зависимости от толщины и плетения изделия варьируется от 500 до 5000 руб. Более дорогими получаются очень тонкие листы, так как они продаются погонными метрами и чтоб купить килограмм стеклоткани толщиной 0.02 мм придется отмотать 50 погонных метров ткани.

Карбон, углеродное волокно, углепластик, carbon

Волокна черного цвета, состоящие из множества нитей толщиной от 0,005 до 0,010 мм сплетенных в ткани из которых можно изготовить различные формы, с очень высокими прочностными техническими характеристиками. Сами по себе ткани не используются, а используются, как исходное сырье пропитанное эпоксидной смолой, с последующим застыванием образуют очень прочный и легкий материал. Прочность некоторых углепластиков выше высокопрочной стали сорта 25ХГСА но значительно меньше ее по весу. удельный вес готового углепластика 1.5 – 2 килограмма на кубический дециметр – у стали 8 кг на кубический дециметр. Разница масс в 4 – 6 раз.

Прочность карбона в основном зависит от качества применяемой эпоксидной смолы. Самые лучшие углеткани продаются уже пропитанными смолой, остается только уложить их в форму и отправить в автоклав для застывания.

Изготовление формы: Чтобы изготовить простейшую матрицу необходимо иметь готовый по форме образец бампера, капота либо любой другой детали изготовленных из любого материала, либо используя готовый заводской образец. Для избежания прочного склеивания образца с будущей матрицой, ее необходимо промазать слоем разделителя. В качестве разделителя может служить мыло, эдельвакс, воск растворенный в бензине, Циатим-221, кремнеорганические смазки. В качестве основы для матрицы, можно использовать монтажную пену, гипс, а также композитные материалы. Если матрица выполняется из композитных материалов, то самым дешевым ее источником является стекловолокно пропитанное обычной эпоксидной смолой. Если матрица имеет сложную форму, то ее приходится делать разъемной, в одном или нескольких местах. Места разъема должны быть зафиксированы и иметь точную позицию друг относительно друга. Лучше всего подходит штифтовое позициолнирование с последующим скреплением болтами.

Все монококи самых современных суперкаров и формулы один, выполняются с использованием углеродного волокна, для большей прочности в конструкцию добавляют титановые и сотовые структуры. Именно из за карбоновой конструкции эти автомобили так дороги. Мало того, что сам материал не дешев, так еще и все производство происходит практически полностью в ручном режиме.

Стоимость углеродного волокна очень высока и детали получаемые с помощью нее соответственно тоже. Цена за углеткань начинается от 5000 руб за 1 кг или 5 метров квадратных, при толщине 0.25 мм. Некоторые американские истребители и бомбардировщики тоже делают из карбона и стоимость бомбардировщика B2 например: составляет более 2 миллиардов долларов .

В домашних условиях изготовить такой же прочный карбон как и в заводских, скорей всего не получится, так как для качественного формования крупных деталей, понадобиться большой вакуумный автоклав, позволяющий формовать в вакууме и при заданной иногда немалой температуре, более 150 градусов.

Эпоксидные смолы застывающие при комнатных температурах не обладают и половиной той прочности, нежели полимеризованные с заданной картой температур, в условиях вакуумного автоклава.

Небольшой список компаний производящих carbon:

Toray
Nippon Graphite Fiber Corporation
FORMAX
Porcher Industries
Seal SpA
SGL Group
Mapei
Zoltek
Saertex
Ballar
Hexcel Corporation
Taiwan Electric Insulator
A&P Technology
FTS SpA
Epotech
Zyvex Technologies
Isovolta AG

Кевлар – Kevlar

Пара-арамидное волокно желтоватого цвета, обладающее очень высокой прочностью. Прочность на разрыв до 360 килограмм на миллимметр квадратный. Искусственный аналог приближенный к паутине, или хотя бы созданный при попытках воспроизвести подобный материал. Прочность на разрыв в 3 раза выше прочной стали при той же толщине. Но удельный вес стали в пять раз выше, следовательно при одном и том же весе материалов, кевлар будет в 15 раз прочнее. Спектр применения очень велик. Волокна применяются для армирования резины в автомобильных покрышках, армирование электро-кабелей. Отдельными нитями усиливают ткани различной спец одежды, кевларовые ткани применяются в использовании бронежилетов. Кевларовые перчатки защищают руки от повышенных температур и повреждений острыми предметами. В качестве композитных материалов кевларовые волокна применяют в основном в смеси с другими материалами: угле и стекловолокном. Прочность кевлара на растяжение в 3 раза выше чем у стекловолокна но при этом он в два раза легче. Кевлар продается в нитях, тканях, лентах и цена за килограм примерно такая же как и у карбона около 5000 руб за килограмм. Расброс цен здесь гораздо выше, так как кевлар используется не только в качестве композиционных материалов, ткани и ленты имеют цену еще и как изделие, а не только как сырье. Например баллистические ткани для бронежилетов.

Сравнение удельного веса армирующих волокон и разрывной прочности.

Что такое углеволокно (карбон) и как оно может спасти нас от нефтяного кризиса?

Действительно, цены на топливо из нефтепродуктов сегодня дорожают, и, если автомобиль всё дальше отходит от сравнения с роскошью, то его повседневное использование как средства передвижения – вот что становится настоящей роскошью. Вообще, раньше считалось, что всего несколько стран имели достаточно богатства, чтобы владение автомобилем в них носило массовый характер, в то время как остальные страны не могли позволить себе такую роскошь. Сегодня же, особенно, по мере того как Индия и Китай испытывают существенный рост автомобилизации, вызывая больше спроса и повышения цен на бензин и дизельное топливо и, соответственно, нефть, мы медленно, но верно, а, что ещё хуже, нарастающим темпом движемся к нефтяному кризису. Но гораздо важнее высокой стоимости нефти является тот факт, что это – конечный ресурс: в один прекрасный день мы исчерпаем все ресурсы нефти в недрах Земли, а, если Вы читали статью о том, как работает нефтепереработка, то Вы знаете, что заново нефть формируется долгие и долгие века.

2005 год: Volkswagen представил свой новый концепт-кар EcoRacer. Кузов автомобиля изготовлен из углеродного волокна.

Что такое углеволокно?

Прежде чем Вы сможете понять, как углеродное волокно может помочь решить нефтяной кризис, Вам необходимо понять, что это такое. Углеволокно или “углеродное волокно” или по-простому “карбон” (точнее, карбоновое волокно) – это суперпрочный материал и одновременно очень лёгкий материал. Инженеры и дизайнеры очень его любят, поскольку он аж в пять раз прочнее стали и в два раза жёстче, но весит примерно на две трети меньше. Углеродное волокно – это, в основном, очень тонкие нити углерода – настолько тонкие, что они тоньше даже, чем человеческий волос. При этом, нити углеволокна могут быть скручены вместе, словно пряжа, как ткань. Останется только придать карбону постоянную форму, и делается это с помощью пластика или жёсткой смолы (вроде того как бы Вы сделали что-то из папье-маше, придавая ему форму).

Большинство автомобильных компонентов изготовлено из стали. Замена стальных деталей кузова на углеволокно снизило бы вес большинства автомобиля максимум на 60 процентов. А 60-процентное падение в весе, в свою очередь, снизило бы расход топлива машины на целых 30% и, соответственно, сократило бы выбросы парниковых газов и другие на 10-20% (по данным Oak Ridge National Laboratory). На самом деле, в глобальных масштабах это была бы огромная экономия топлива, даже несмотря на то, что двигатель автомобиля оставался бы чугунно-стальным/алюминиевым. Снижение веса автомобиля вкупе с повышением эффективности использования топлива с учётом развития различных видов двигателей – вот как современный карбон может решить нефтяной кризис.

Но подождите! Если углеволокно, действительно, настолько полезно, то почему оно не так широко применяется в автомобилях на сегодняшний день?

Насколько безопасно углеволокно?

Безопасность является серьёзной проблемой для покупателей автомобилей. Автомобиль, который получает расходует на 30% меньше топлива, безусловно, очень и очень хорошо, но он не принесёт Вам много хорошего, если не поможет спасти Вашу жизнь в аварии. Хорошей новостью является то, что углеродное волокно так же безопасно, как и сталь. Моделирования краш-тестов и реальные краш-тесты показывают, что карбоновые автомобили так же хорошо сохраняются при ДТП, как и стальные автомобили. На самом деле, почти все гоночные автомобили Формулы Один выполнены из углеродного волокна, что подтверждает безопасность этого материала.

Минусы углеволокна

Если вернуться из будущего в настоящее, то Вы можете заметить, что сегодня очень редкий автомобиль на самом деле построен из карбона. По правде говоря, всего несколько десятков моделей машин, использующих углеволокно, доступны для продажи. Среди них BMW M6, где небольшие панели углеродного волокна применены для защиты кузова, Chevrolet Corvette ZR1 и Ford GT. Audi R8 также включает в себя некоторые детали из карбона.

Что общего имеют эти автомобили? Правильно, они стоят много денег – порядка нескольких миллионов рублей. Сегодня можно редко увидеть автомобиль из углеродного волокна, потому что это дорого! 15 лет назад углеродное волокно стоило около $300 за килограмм. Сейчас цена составляет около $20 за кило. Сталь, с другой стороны, стоит меньше, чем 20 рублей за килограмм (речь не о ломе чёрного металла, конечно, а о высококачественной стали для изготовления авто). Многие аналитики говорят, что для того, чтобы углеволокно стало широко использоваться в автомобилестроении, нужно, чтобы сделать его цена опустилась хотя бы примерно до 1 доллара за килограмм. Стоимость является основным препятствием, которое углеродного волокну ещё предстоит преодолеть, прежде чем оно сможет обеспечить жизнеспособное решение для энергетики в автомобилестроении.

Второе препятствие – это утилизация отходов. Что происходит, когда типичный автомобиль стареет и, таким образом, приходит в негодность – ржавеет? Верно, его сталь может быть расплавлена и использована для производства другого автомобиля (или здания или чего-нибудь ещё). Углеволокно, в свою очередь, не может быть расплавлено, и пока никто не придумал, где можно использовать вторичное сырьё из него. После переработки утилизированное углеволокно не так прочно, как это было до переработки. Таким образом, большее число машин, использующих карбон, позволит сэкономить много нефти, но это также может генерировать много отходов.

На фоне таких недостатков углеволокна производители автомобилей смотрят и на другие материалы, чтобы сделать автомобили легче. И один из таких материалов – алюминий. Хотя алюминий не так прочен, как сталь, он всё же гораздо легче. Что делает его хорошим материалом для некоторых компонентов автомобиля, в том числе деталей двигателя и некоторых узлов шасси машины. Так как алюминий не очень прочен, его нельзя применять везде, где сегодня используется сталь, но его низкая стоимость и лёгкий вес позволяют ему довольно широко распространиться в современных автомобилях. Но ещё у алюминия есть свой существенный недостаток – он “устаёт”; это означает, что в алюминии (как и в любом другом металле) появляются микротрещины, которые со временем под нагрузкой разрастаются, и приводят попросту к перелому детали (почитайте про недостатки алюминиевых рам велосипедов – Вы найдёте более подробную информацию о таком свойстве алюминия).