Объяснение углеродного волокна:свойства, использование и приложения для 3D-печати

Углеродное волокно, также известное как графитовое волокно или углеродный графит, стало прочным фаворитом в нескольких отраслях, и на это есть веские причины. Но мы не будем раскрывать все это во вступлении:читайте дальше, чтобы узнать, что это за материал, его разные виды и для чего он используется.

Что такое углеродное волокно?

Углеродное волокно представляет собой тканевый коврик из тканых волокон, который классифицируется как композитный, так и армированный волокном пластик. Это 90% полиакрилонитрил (прекурсор углерода) и 10% другие прекурсоры, такие как смола или целлюлоза. Этот материал изготавливается путем карбонизации, окисления или графитации. Сначала ему вырезают необходимую форму, пропитывают смолой, затем обрабатывают одним из вышеперечисленных методов. После отверждения получается легкий и невероятно прочный материал с впечатляющим соотношением прочности к весу. 

Высокая термостойкость этого типа волокна вдохновила сэра Джозефа Уилсона Свона использовать его в лампочке накаливания в 1860 году. В то время нити из углеродного волокна не были такими прочными, как сейчас, поэтому, когда на сцену вышел вольфрам, он в значительной степени взял верх в производстве лампочек. Прошло более 50 лет, и углеродное волокно практически ни для чего не использовалось, но в 1960-х годах была выпущена более прочная версия, и Rolls-Royce раскупила его для своих реактивных двигателей, несмотря на хрупкость.

Углеродное волокно, которое сегодня используется в производстве, имеет предел прочности около 4000 МПа и высокий модуль упругости 400 ГПа, что делает его полезным для целого ряда вещей (не только лампочек). Он устойчив к ползучести, усталости, химическим веществам и коррозии, а также негорюч и нетоксичен. При правильном обращении он может быть электропроводным.

Этот материал невероятно дорогой. Он легче и прочнее стали, но его высокая стоимость не позволяет производителям использовать его без крайней необходимости (вроде того дорогого аромата, который вы приберегаете для особых случаев). Но теперь цена на углеродное волокно снизилась, а его использование возросло! Дни ожидания углеродного волокна для выполнения громких задач прошли; теперь из него делают инструменты и крепления, пружины и проволоку, и его даже можно использовать для усиления шин.

Как по-другому называют углеродное волокно?

Углеродное волокно также можно назвать графитовым волокном или углеродным графитом. Его можно называть композитным или армированным волокном пластиком. Термин «композит» используется для описания материала, имеющего матрицу и армирование. В случае углеродного волокна волокно является армирующим элементом, а смола – матрицей. Армированный волокном пластик используется для описания стекловолоконных и арамидных композитов, а также углеродного волокна. 

Когда было изобретено углеродное волокно?

Углеродные волокна были впервые созданы в 1860 году сэром Джозефом Уилсоном Своном для использования в лампочках накаливания, поскольку эти волокна обладали очень высокой термостойкостью. Однако нити из углеродного волокна в то время были не очень прочными. Поэтому, когда вольфрам начал использоваться в лампочках, углеродное волокно не использовалось более 50 лет. Затем, в 1960-х годах, компания Rolls-Royce смогла производить более прочные углеродные волокна для использования в реактивных двигателях. Однако из-за хрупких свойств углеродного волокна его применение долгое время было ограничено. С тех пор производство углеродного волокна стало гораздо более эффективным. Углеродное волокно сегодня имеет прочность на разрыв в диапазоне 4000 МПа и модуль упругости 400 ГПа, что открыло гораздо больше возможностей для его использования.

Из чего состоит углеродное волокно?

Окисление, карбонизация и графитизация полиакрилонитрила-предшественника углерода составляют 90% материала из углеродного волокна. Остальные 10% используемых прекурсоров состоят либо из пека, либо из целлюлозы. 

Каковы свойства углеродного волокна? 

Немеханические свойства углеродного волокна:

1. Электропроводящий
2. Устойчив к коррозии.
3. Невоспламеняющийся
4. Нетоксично 

Каковы механические свойства углеродного волокна?

К механическим свойствам углеродного волокна относятся:

1. Легкий
2. Высокая прочность
3. Устойчивость к ползучести
4. Устойчивость
5. Высокомодульный 
6. Хрупкость

Количество раз, когда волокно проходит над и под другими волокнами, называется извитостью, и чем выше извитость, как правило, тем выше его стабильность. Но углеродное волокно с высокой степенью извитости означает, что материал не будет очень гибким (так называемая драпируемость) для формирования сложных форм или геометрии.

Насколько прочно углеродное волокно?

Углеродное волокно подразделяется на стандартное, среднее, высокое и сверхвысокомодульное качество, предел прочности на разрыв составляет от 3,55 ГПа.

Тяжело ли углеродное волокно?

Нет, углеродное волокно не тяжелое. Углеродное волокно очень легкое, что является одним из двух его наиболее желательных свойств, а второе — прочность. Вес углеродного волокна будет зависеть от количества волокон на см2 и смолы, используемой для его связывания. Например, ткань полотняного твила из углеродного волокна без использования смолы будет весить 210 г/м2 и иметь толщину всего 0,28 мм. Для сравнения, сталь имеет вес 4 кг/м2 при толщине 0,5 мм.

Каковы химические свойства углеродного волокна?

Химические свойства углеродного волокна: 

1. Химическая устойчивость.
2. Нетоксично 
3. Невоспламеняющийся

Каковы различные передовые применения углеродного волокна?

Из-за своей высокой цены углеродное волокно в настоящее время используется только в высокопроизводительных устройствах, некоторые из которых мы перечисляем ниже.

1. Аэрокосмическая промышленность

Благодаря небольшому весу углеродное волокно подходит для изготовления фюзеляжа, оперения, носового обтекателя и лопастей самолетов. Когда эти детали изготовлены из этого материала, вес самолета может быть уменьшен до 20%, что позволяет сэкономить миллионы долларов на топливе. 

2. Спортивные товары

Из него делают более легкие, прочные и быстроходные теннисные ракетки, лыжи, сноуборды, велосипеды и клюшки для гольфа. Просто будьте готовы заплатить гораздо больше за спортивное оборудование из углеродного волокна.

3. Медицинское оборудование

Рентгеновские устройства и имплантаты изготавливаются из углеродного волокна главным образом потому, что оно рентгенопрозрачно (рентгеновские лучи легко проходят сквозь него). Он также износостойкий и имеет жесткость, аналогичную человеческой кости. В отличие от металла, используемого в некоторых имплантатах, углеродное волокно хрупкое и может расколоться.

4. Система хранения энергии

В разработке находятся планы по созданию систем хранения аккумуляторов из углеродного волокна, которые могут значительно снизить вес электромобилей.

5. Гражданское строительство

Углеродное волокно становится все более популярным в мостах и бетонных конструкциях, где прочность важнее веса. Поскольку он может быть в десять раз прочнее стали, он предпочтителен, но, как мы установили, его использование намного дороже.

6. Морские технологии

Поскольку цена на углеродное волокно падает, оно начинает заменять использование стекловолокна в яхтах и небольших лодках. 

7. Военные и оборонные технологии

Из этого материала можно изготавливать дроны, вертолеты, реактивные самолеты и транспортные самолеты. Конструкция шлемов с годами стала намного сложнее, что также делает их тяжелее. Углеродное волокно здесь, чтобы спасти положение (но все еще остается проблема с обнаружением повреждений).

Однако одним недостатком является так называемое «еле заметное повреждение от удара». По сути, на этом материале трудно обнаружить повреждения невооруженным глазом, поэтому проверка неисправностей требует тщательного обучения и тестирования. Этот фактор влияет на большинство вышеперечисленных отраслей, но особенно на аэрокосмическую, энергетическую, морскую и военную.

Как можно использовать углеродное волокно вместе с 3D-печатью?

Углеродное волокно совместимо с 3D-печатью. Его можно использовать либо в виде непрерывного слоя волокна, либо напечатать в виде коротких нитей на нити на принтере FDM (моделирование плавлением). Если вы собираетесь печатать непрерывным волокном, принтеру потребуются две печатающие головки:одна для пластиковой нити и одна для углеродного волокна. Если вы решите внедрить нарезанные нити в нить, вы сможете улучшить прочность и жесткость печатных деталей, не обанкротившись. Использование этого материала в 3D-печати означает, что вы можете создавать детали, которые можно использовать в конструкционных целях, поскольку они намного прочнее, чем типичные PLA и ABS, используемые в 3D-печати. Детали из углеродного волокна по прочности можно сравнить с такими материалами, как алюминий.

Аэрокосмическая промышленность в некоторой степени использует детали из углеродного волокна, напечатанные на 3D-принтере. Из-за правил безопасности любая новая технология или материалы должны пройти тщательное тестирование и квалификацию перед использованием в аэрокосмической отрасли, но на данный момент нередко можно найти детали для кронштейнов и специализированные инструменты, изготовленные из углеродного волокна, напечатанного на 3D-принтере. Компаниям также не приходится сталкиваться с огромными сроками выполнения заказов.

Часто задаваемые вопросы об углеродном волокне

Как 3D-печать в аэрокосмической промышленности использует углеродное волокно для создания различных деталей?

В настоящее время использование 3D-печати углеродным волокном в аэрокосмической отрасли ограничено. Использование новых материалов и процессов требует обширной квалификации перед использованием в аэрокосмической отрасли. Однако многие аэрокосмические компании используют детали из углеродного волокна, напечатанные на 3D-принтере, для кронштейнов и специализированных инструментов. 3D-печать используется для создания ограниченного производства деталей, производство которых в противном случае потребовало бы длительного времени. Многие задачи по ремонту и техническому обслуживанию требуют специального инструмента, который требует высоких затрат и длительного времени выполнения. Благодаря 3D-печати углеродного волокна время выполнения заказов и затраты теперь сокращаются.

Чтобы узнать больше, прочтите наше полное руководство по 3D-печати в аэрокосмической отрасли.

В чем преимущество углеродного волокна по сравнению с другими материалами, напечатанными на 3D-принтере?

Преимуществом деталей, напечатанных из углеродного волокна, является повышенная прочность по сравнению с другими материалами, напечатанными на 3D-принтере. Большинство деталей, напечатанных на 3D-принтере, изготовлены из PLA или ABS, которые относительно непрочны, а это означает, что детали нельзя использовать в конструкционных целях. Однако прочность материалов из углеродного волокна, напечатанных на 3D-принтере, сравнима с прочностью алюминия. Это открывает множество приложений для использования деталей, напечатанных на 3D-принтере.

Углеродное волокно прочнее стали?

Да, углеродное волокно прочнее стали при сравнении их соотношений прочности и веса. Хотя и сталь, и углеродное волокно имеют модуль упругости 200 ГПа, сталь в пять раз тяжелее углеродного волокна. Благодаря такому высокому соотношению прочности и веса углеродное волокно может быть предпочтительным во многих областях применения.

Углеродное волокно прочнее алюминия?

Да, углеродное волокно намного прочнее алюминия. Алюминий может достигать прочности до 570 МПа, тогда как сверхвысокомодульное углеродное волокно может достигать прочности на разрыв, превышающей 5,5 ГПа.

В чем разница между углеродным волокном и 3D-нитью из углеродного волокна?

И традиционное углеродное волокно, и углеродное волокно, напечатанное на 3D-принтере, добавляют прочности и имеют легкий вес, но метод применения сильно различается. Традиционно углеродное волокно представляет собой плетеный мат из волокон, на который нанесена смола, а затем отверждена. Традиционное углеродное волокно обычно изготавливают из более крупных панелей и трубчатых секций, но его можно превратить в кронштейны. Углеродное волокно, напечатанное на 3D-принтере, либо разрезается на микронити и добавляется к нити, из которой печатается деталь, обычно со сложной геометрией, либо печатается как отдельная непрерывная прядь в отдельных слоях 3D-печатной детали.

Кэт де Наум

Кэт де Наум — писатель, автор, редактор и специалист по контенту из Великобритании с более чем 20-летним писательским опытом. Кэт имеет опыт написания статей для различных производственных и технических организаций и любит мир техники. Помимо писательской деятельности, Кэт почти 10 лет работала помощником юриста, семь из которых занималась финансированием судов. Она писала для многих изданий, как печатных, так и онлайн. Кэт имеет степень бакалавра английской литературы и философии, а также степень магистра писательского мастерства в Кингстонском университете.

Прочтите другие статьи Кэт де Наум



Объяснение экструдера Боудена:функции, настройка и совместимые нити Струйные машины для связующего:подробное руководство по типам, использованию, преимуществам и ограничениям