Насколько прочно углеродное волокно? | Узнайте, что делает этот элемент таким сложным

При правильном синтезе углеродное волокно может быть в 10 раз прочнее стали. Насколько прочно углеродное волокно в его базовой форме и как можно максимизировать его прочность? Мы ответим на эти и другие вопросы в этой публикации!

СВЯЗАННЫЕ : Шлем Ferrari F430 Scuderia из углеродного волокна

1. Как сделать прочное углеродное волокно?
2. Почему углеродное волокно такое прочное?
3. Легко ли ломается углеродное волокно?
4. Углеродное волокно прочнее, чем KEVLAR®?
5. Можно ли сжигать углеродное волокно?
6. Может ли углеродное волокно ржаветь?
7. Насколько прочна углеродная нить?

Как сделать прочное углеродное волокно?

Сначала лист волокна и других полимеров нагревают до очень высокой температуры в пространстве, свободном от кислорода. Из-за отсутствия кислорода волокно не может гореть, а вместо этого нагревается настолько, что остаются только атомы углерода.

Затем углерод стабилизируется и карбонизируется. Это включает нагревание стойкого к возгоранию угля до высоких температур на открытом воздухе, затем помещение его в печь, наполненную химическими газами (но не кислородом), и дальнейшую тепловую обработку.

В-третьих, лист охлаждается и погружается в различные химические газы, включая кислород, для улучшения сцепления.

Наконец, на лист наносится покрытие из эпоксидной смолы, чтобы защитить волокна от повреждений при их использовании для изготовления изделий. Состав покрытия варьируется в зависимости от исходных материалов, используемых для волокна.

Это процесс изготовления одного листа из углеродного волокна, который является чрезвычайно прочным строительным материалом, но все же может быть хрупким и в некоторых отношениях легко сломаться. Для получения дополнительной информации о том, как листы из углеродного волокна становятся почти небьющимися, см. Раздел ниже «Легко ли ломается углеродное волокно?»

Важно знать, что изготовление прочного углеродного волокна - чрезвычайно сложный процесс, который определенно невозможно выполнить в домашних условиях.

Посмотрите это видео, чтобы увеличить углеродное волокно, чтобы увидеть, насколько прочными и плотно переплетенными становятся углеродные волокна.

Почему углеродное волокно такое прочное?

Углеродное волокно является одним из самых прочных материалов на Земле из-за цепочечных связей его молекул. Эта структура создается во время всех химических реакций и резких перепадов температуры, через которые проходит волокно во время создания.

Эти процессы связывают вместе тысячи маленьких прядей и смешивают их с эпоксидной смолой. Эти пряди образуют слой углеродного волокна, прочность которого зависит от точной ориентации прядей и типов ткани, используемой в слое.

Однослойное углеродное волокно обычно имеет толщину около 0,25 мм и совсем не очень прочное. Фактически, углеродное волокно такой толщины очень легко сломать. Это может быть нелогично тому, что вы знаете о прочности углеродного волокна, но прочность создается в процессе наложения нескольких слоев, а также за счет ориентации и переплетения волокон, также известного как «укладка».

Молекулярная чистота углеродного волокна также способствует созданию прочно связанной структуры.

Легко ли ломается углеродное волокно?

Короткий ответ:может, как описано выше. Самое замечательное в углеродном волокне - это то, что вы можете контролировать силу и направление силы. Например, если вы хотите, чтобы ткань была сверхпрочной в одном направлении и более гибкой в ​​другом, вы можете сделать это, используя определенный тип ткани и укладку.

Однонаправленные таблицы

Чтобы объяснить, представьте себе одну из тех деревянных циновок, из которых делают суши. Коврик состоит из пучка узких деревянных прутьев, которые проходят параллельно друг другу и связаны между собой. В результате коврик легко согнуть, если согнуть его относительно волокон. Однако, если вы согнете с волокном, мат совсем не будет легко сгибаться, потому что это будет означать, что он будет достаточно сильно сгибаться, чтобы сломать деревянные стержни.

Листы из углеродного волокна состоят из ряда параллельных стержней, похожих на коврик для суши. Но стержни из углеродного волокна сделаны из обработанного волокна и намного прочнее дерева. Из-за этого довольно сложно сломать лист углеродного волокна, если приложить давление в том же направлении, что и стержни. Один лист стержней, идущих в одном направлении, подобен типу ткани из углеродного волокна, называемой «однонаправленной», где все волокна проходят в одном направлении.

Теперь представьте, что вы наклеиваете два коврика для суши один на другой, причем деревянные стержни нижнего коврика идут в одну сторону, а стержни верхнего коврика - в другую. Теперь циновки поддерживают друг друга и не дают друг другу изгибаться в любом направлении.

С однонаправленным углеродным волокном, когда вы складываете слои материала, вы можете контролировать направление прочности каждого слоя. Такой контроль направления прочности - одно из преимуществ углеродного волокна. Используя несколько слоев, вы можете сделать конечный продукт настолько прочным, насколько вам нужно для данного приложения.

тканые листы

В тканых листах из углеродного волокна волокна сплетены вместе, как пряди корзины, чтобы лучше держаться вместе. Существует множество различных типов переплетений, которые используются по разным причинам. Это может быть эстетично, или может быть проще обработать конкретный тип материала в форме, и / или он может иметь большую прочность во многих направлениях. Типы используемых тканей и их ориентация для контроля прочности - все это часть разработки стратегии укладки.

Однако независимо от типа переплетения один лист тканого волокна все равно будет довольно непрочным, если он не будет многослойным.

Стопки пленок из углеродного волокна (тканые или однонаправленные) с чередующейся ориентацией чрезвычайно прочны - до 18 раз прочнее стали.

Посмотрите это видео, чтобы узнать, как углеродное волокно стало таким прочным:

Углеродное волокно прочнее, чем KEVLAR®?

Углеродное волокно и арамидное волокно (KEVLAR® - это просто марка арамидного волокна) примерно равны по прочности, хотя у каждого из них есть свои преимущества и недостатки.

Во-первых, поймите, что оба материала состоят из множества тонких листов соответствующей ткани и достигают реальной прочности только тогда, когда они утолщаются с использованием нескольких слоев тканого волокна.

Даже когда много слоев сплетено вместе, углеродное волокно очень тонкое и легкое. Он также чрезвычайно прочен, но ему трудно противостоять острым предметам, например ножам.

KEVLAR®, с другой стороны, толще, чем углеродное волокно, и в него труднее проникнуть. Но поскольку он толще, он тяжелее и менее гибкий. Кроме того, он гораздо менее устойчив к нагреванию, чем углеродное волокно.

Можно ли сжигать углеродное волокно?

Вам будет сложно сжигать углеродное волокно.

Если нагреть его до 750 градусов, он будет гореть очень медленно, пока к нему приложен горящий источник топлива. Но даже в этот момент горение прекратится, как только будет удален источник топлива.

Это ограниченное горение вызвано соединением смолы с углеродом в волокне, потому что сам углерод не горит. Единственная причина, по которой волокно горит, состоит в том, что горят неуглеродные компоненты.

Существуют разные типы смол, которые могут выдерживать разные виды тепла. Типичная эпоксидная смола хороша до температуры около 200 градусов по Фаренгейту, но высокотемпературная смола обычно выдерживает нагрев до 400 градусов. Всегда проверяйте характеристики используемой смолы.

Углеродное волокно обладает высокой термостойкостью, но при этом очень прочным, поэтому его используют во многих инженерных областях, например, для обшивки двигателя внутри двигателя.

Может ли углеродное волокно ржаветь?

Нет. Плотные связи в углеродном волокне невосприимчивы к окислению из-за сложных химических процессов, используемых во время производства. Эпоксидные смолы, используемые для защиты углеродного волокна от повреждений, инертны, что означает, что оно безопасно от ржавчины и других видов коррозии.

Насколько прочна нить из углеродного волокна?

Нить из углеродного волокна - это отдельная нить, используемая на ткани из углеродного волокна. Эти пряди обычно соединяются вместе с помощью смолы, которая представляет собой RP в CFRP (пластик, армированный углеродным волокном). Соединив используемый материал с точным химическим составом углеродного волокна, инженеры могут создать что-то еще более прочное, прочное и легкое, чем его детали.

В тканом материале каждая нить углеродного волокна обычно содержит от 1000 до 12 000 отдельных нитей, что меньше толщины человеческого волоса.

Итак, насколько прочно углеродное волокно? Скажем так:в мире не так много материалов прочнее углеродного волокна, особенно тех, которые недоступны в продаже.

Хотите увидеть прочность углеродного волокна в действии? Посмотрите это видео!

Далее:

Углеродное волокно, которого вы никогда раньше не видели

Кожа из углеродного волокна, амортизирующая любовь для вашего Macbook Pro

Чехол для унитаза из углеродного волокна