Множество интересных способов использования и применения композитов из углеродного волокна

 

Что такое композиты из углеродного волокна?

Композитные материалы состоят из армирующего волокна, заключенного в полимерную смолу. В композитах используется множество составов смол и типов волокон, но углеродное волокно выделяется как компонент, присутствующий во многих высокоэффективных-продуктах. В тех случаях, когда снижение веса при создании высокой прочности имеет приоритет, углеродное волокно является выбором армирования во многих современных композитных конструкциях.

 

Углеродное волокно встречается в композитных конструкциях везде, где преимуществом являются прочность и легкий вес; его можно найти в-спортивных автомобилях, гоночных автомобилях, высокопроизводительных-лодках, самолетах и ​​аэрокосмических транспортных средствах, медицинском оборудовании и спортивных товарах, включая лыжи, сноуборды, теннисные ракетки, клюшки для гольфа и сотни других товаров.

 

Области применения композитов из углеродного волокна растут быстрее, чем экономика в целом, поскольку растет потребность в легких современных композитных конструкциях. Экономисты прогнозируют значительное увеличение отраслевых возможностей по мере развития технологий и расширения их применения. Вас интересует, как композиты из углеродного волокна создают высокоэффективные-продукты или какую роль они играют в экономии энергии за счет-уменьшения веса? Узнайте больше об использовании углеродного волокна и о том, как принять участие в будущем композитных технологий.

 

Что такое углеродное волокно?

Углеродное волокно, также известное как графитовое волокно, представляет собой прочный и легкий материал, состоящий из сотен отдельных углеродных нитей, которые в восемь раз тоньше человеческого волоса. Нити состоят из атомов углерода, связанных между собой в длинные цепи. По весу композит из углеродного волокна в пять раз прочнее стали и в два раза жестче благодаря своей высокой прочности на разрыв.

Как производится углеродное волокно?

Углеродные нити состоят из пластика-на основе акрила, известного как полиакрилонитрил (ПАН). Многоэтапный процесс начинается с нагревания и скручивания полиакрилонитрильных (ПАН) волокон в нити. Эти нити затем нагреваются до еще более высоких температур (около 3000 F), подвергаясь окислению и карбонизации, в ходе которых удаляются не-углеродные элементы и выравниваются атомы углерода в плотно-упакованные кристаллы. Полученные углеродные волокна затем подвергаются поверхностной обработке, собираются в жгуты и наматываются на катушки. Эти волокна затем либо группируются в более крупные пучки, известные как углеродный «жгут», либо вплетаются в ткани.

 

Как используется углеродное волокно?

Нити жгута из углеродного волокна или тканых материалов пропитываются полимерной смолой, например эпоксидной, и формуются в форме. Затвердевшая смола инкапсулирует углеродные нити и создает жесткую матрицу, придающую изделию желаемую форму. Комбинация смоляной матрицы (эпоксидной смолы) и армирующего волокна (углерода) создает композитный материал. Отличительными чертами композитов, армированных углеродным волокном, являются легкий вес, жесткость и высокая прочность на разрыв.

 

Рассвет углеродного волокна

История углеродного волокна восходит к концу 19 века, когда Томас Эдисон использовал углеродные волокна в качестве нитей накаливания для первых экспериментов с лампочками. Однако только в 1950-х годах углеродные волокна стали производить как высокопрочный материал.

Использование углеродного волокна в качестве компонента композитов началось в 1958 году. Доктор Роджер Бэкон из Union Carbide создал работоспособные углеродные волокна, нагревая пряди вискозы примерно до 3000 градусов по Фаренгейту до тех пор, пока они не обуглились. Этот процесс стал предшественником современного метода производства углеродного волокна. В 1960-е годы началось первое коммерческое производство углеродных волокон с использованием процесса, разработанного Union Carbide. Потенциал углеродных волокон в качестве композитного армирования был признан, и компания Rolls Royce начала использовать их в компонентах реактивных двигателей.

В 1970-х годах аэрокосмическая промышленность добилась прогресса в области композитных технологий, а применение углеродного волокна стало лучше документироваться и совершенствоваться. Началась гонка за применением этой технологии к конструкциям, где было важно уменьшить вес и увеличить прочность. Поскольку необработанное углеродное волокно стоит дороже, чем другие армирующие волокна, оно было адаптировано для критически важных применений, где стоимость была вторичной по отношению к производительности.

В 1980-х годах произошел значительный рост популярности композитов из углеродного волокна, поскольку эти материалы начали проникать в индустрию спортивных товаров. Лыжи, сноуборды, теннисные ракетки, клюшки для гольфа, удочки и велосипедные рамы стали изготавливаться из компонентов из углеродного волокна, что обеспечивает их легкий вес и-высокую прочность. В коммерческом секторе автомобилестроение, автоспорт и морская промышленность начали экспериментировать с углеродным волокном для снижения веса транспортных средств и улучшения характеристик. Одновременно в аэрокосмической и оборонной промышленности развивались инженерные ноу-хау по применению композитов из углеродного волокна в приложениях с высочайшими эксплуатационными характеристиками.

К 1990-м годам использование композитов из углеродного волокна выросло, поскольку производители нашли способы снизить затраты и улучшить качество углеродных волокон. Это привело к более широкому применению, в том числе в строительстве и ветроэнергетике.

Углеродное волокно, как основной продукт композитов, стало мейнстримом к 2000-м годам. Этот материал больше не ограничивался-высокотехнологичными приложениями, а использовался в широком спектре отраслей, от бытовой электроники до инфраструктуры. В течение следующих двух десятилетий передовые композиты использовались во все более важных-приложениях, таких как авиалайнеры Boeing 787 и Airbus A350. Автомобильная промышленность внедрила технологию композитных материалов,-навеянную автоспортом, а высокотехнологичные-лодки всех типов используют углеродные композиты в качестве основных конструкций. Появление инженерных инструментов, таких как анализ методом конечных элементов и вычислительная гидродинамика, способствует постоянному-повышению производительности и расширению сферы применения этих композитных материалов.

 

Некоторые действительно крутые применения углеродного волокна

Сегодня применение композитов из углеродного волокна появляется регулярно. Если раньше углеродное волокно было экзотикой и дорого, то теперь углеродное волокно можно найти в огромном спектре отраслей и продуктов, таких как:

 

Морской

Композитные материалы из углеродного волокна уже несколько десятилетий являются основой высокопроизводительных гоночных самолетов-. Лодки Кубка Америки являются примером использования технологии на пределе возможностей: конструкции из углеродного волокна могут конкурировать с аэрокосмической конструкцией. Производственные суда все чаще используют углеродное волокно в процессах вакуумной инфузии с целью создания более легких и быстрых судов.

 

Автомобильная промышленность

Углеродное волокно все чаще применяется в автомобилестроении. Эти материалы впервые нашли применение в автомобилях Формулы-1 и Инди, которые первыми внедрили аэрокосмические технологии. Затем он распространился на экзотические-спортивные автомобили высокого класса, а в настоящее время перешел на серийные автомобили. «Облегчение» — основная цель автомобильного дизайна, направленная на повышение производительности и снижение воздействия на окружающую среду. NASCAR недавно перешла на композитные кузова для автомобилей Кубковой серии. Эти новые кузова оказались настолько прочными, что изменили стиль гонок, поскольку автомобили могут выдерживать более серьезное обращение.

 

Транспорт

В автомобильной отрасли десятилетиями использовались композитные компоненты для улучшения аэродинамики и экономии топлива. Ожидается революция в конструкции тяжелых грузовиков, которая будет включать значительно улучшенную аэродинамику и уменьшенный вес. Эти инновации основаны на композитных компонентах и ​​конструкции, позволяющей снизить аэродинамическое сопротивление. Подсчитано, что новые конструкции, изготовленные из изящных легких композитных компонентов, могут привести к экономии топлива до 50 миллиардов долларов в год.

 

Авиация, аэрокосмическая и оборонная промышленность

Если рассматривать весь спектр коммерческих самолетов, военных самолетов, ракет-носителей и орбитальных космических кораблей, композиты из углеродного волокна играют все более важную роль в достижении поставленных целей. В этих областях разработка композитов хорошо развита, и регулярно объявляются о текущих инновациях. Огромное количество углеродного волокна было выделено на секретные военные и оборонные проекты передовых технологий. На коммерческой арене десятки электрических самолетов с вертикальным взлетом-взлетом (VTOL) только сейчас проходят сертификацию или находятся в стадии разработки. Во всех этих новых самолетах в качестве основного конструкционного материала используются углеродные композиты.

 

Спортивные товары

Композиты из углеродного волокна широко распространены в мире спортивных товаров благодаря своей прочности и легкому весу. Сюда входят: хоккейные клюшки, теннисные ракетки, луки для стрельбы из лука, клюшки для гольфа и удочки, лыжи, сноуборды, вейкборды, кайтборды и фойлборды. Все они используют углеродное волокно вместе с гребными снарядами и велосипедами.

 

Лекарство

Медицинская сфера — еще одна отрасль, в которой углеродное волокно оказало значительное влияние в последние годы. Углеродное волокно прозрачно для рентгеновских-изображений, что привело к его использованию в широком спектре рентгеновского-оборудования и оборудования для визуализации. Углеродное волокно также используется в протезах конечностей, которые прочны, легки и удобны в ношении и использовании.