Производство и применение синтетических углеродных волокон

3.1 Применение углепластиков в аэрокосмической технике

УВ, особенно высокомодульные, дороже металлов, поэтому главной сферой их применения является авиакосмическая промышленность, в которой требуются материалы с высокой удельной прочностью и жесткостью. Примерно 25 % массы искусственных спутников приходится на элементы, изготовленные изуглепластиков – решетки солнечных батарей, антенны, системы трубопроводов и конструкции для крепления антенн. Замена алюминия на углепластик позволила снизить массу 1 м2 солнечной батареи с 5 до 1,3 кг.

Развитие ракетостроения и освоение космоса стимулировало создание новых материалов, способных кратковременно противостоять высоким температурам.

Носовые конуса ракет и космические корабли при прохождении плотных слоев атмосферы подвергаются сильному аэродинамическому разогреву. Граничный газовый слой, с которым соприкасается движущаяся ракета или космический корабль имеет температуру порядка 5000 - 6500 ºС. Ни один из известных в природе материалов не может длительное время противостоять действию столь высоких температур и большим скоростям газовых потоков при прохождении ракет в слоях атмосферы.

Теплозащитные свойства композиционных материалов увеличиваются по мере возрастания плотности пластиков при расположении волокна в пластике параллельно потоку газа и уменьшении содержания смолы в пластике.

К недостаткам УВ и, особенно графитизированных, относится их высокая теплопроводность. Поэтому в состав углепластиков помимо УВ входят и другие жаростойкие волокна с меньшей теплопроводностью, такие как SiС волокно и др.

3.2 Применение углепластиков в машиностроении

На первых этапах применения УВ (начало 70-х годов) большое внимание уделялось конструированию изделий из углепластиков, в которых используется высокая удельная жесткость (на единицу массы), высокие усталостные характеристики и высокий коэффициент затухания механических колебаний этих материалов. По совокупности этих характеристик углепластики превосходят все применяемые материалы.

Из углепластиков изготавливают некоторые детали текстильных станков, что позволяет повысить срок их службы с полугода до трех лет при увеличении скорости работы станка на 10 %.

Другой областью применения углепластиков являются бумагоделательные и копировальные машины, а также машины для упаковки сигарет. УВ применяются в качестве армирующего наполнителя в пластиковых втулках и подшипниках, в которых УВ используются для уменьшения ползучести и изнашиваемости материала.

Применение углепластиков в неподвижных конструкциях и деталях оказывается рентабельным, если требуется сочетание высокой жесткости, очень малого коэффициента теплового расширения и высокой коррозионной стойкости. Углепластики используются для изготовления станин прецизионных станков и деталей приборов: рам для телескопов, кронштейнов, микрометров.

Другими примерами могут служить опоры линий электропередач, опоры для антенн, полые столбы телефонной связи, стрелы башенных кранов.

Применение УВ в химически- и коррозионностойких деталях и конструкциях связано с тем, что они обладают очень высокой стойкостью к действию концентрированных горячих водных растворов кислот и щелочей. Однако все же химическая и коррозионная стойкость композитов определяется связующими. Так, композит на основе УВ и полифениленсульфида применяют для изготовления клапанов коррозионностойких трубопроводов для кислот и щелочей с рабочими температурами от -40 до +150 ºС, эксплуатируемых под давлением 1,4 МПа. Антикоррозионные свойства емкостей для хранения химикатов улучшаются при покрытии их полимерами с большим содержанием УВ в качестве наполнителей.

3.3 Применение углеродных волокон в медицине

УВ помимо высокой прочности и жесткости обладают малым коэффициентом поглощения рентгеновского излучения и превосходной совместимостью с живыми тканями. Этими свойствами определяется применение УВ в медицине.

Для получения высококачественных рентгеновских снимков кассеты с пленкой, стенки рентгеновского аппарата, его консольные опоры, покрытия столов рентгеновской установки, кушеток для пациентов изготавливают из композитов, армированных УВ.

При изготовлении протезов опорно-двигательного аппарата требуется высокая жесткость и в этом случае также применяются углепластики. Они также используются для производства легких кресел-каталок, корсетов, костылей, шин.

Многообещающей представляется возможность хирургической имплантации углепластиковых деталей вследствие хорошей совместимости углепластика с тканями организма человека. Углепластики успешно используют для производства искусственных сердечных клапанов и для фиксации переломов костей.

Для улучшения совместимости с кровью человека применяются фильтры из УВ, покрытых пиролитическим углеродом.

3.4 Применение углеродных волокон в электротехнике

УВ является почти столь же хорошим проводником электрического тока, как и используемый для получения электродов графит. Так, проводник из нескольких углеродных нитей эквивалентен по своим характеристикам многожильному электрическому проводу. В виде ваты или ткани УВ помимо электропроводности имеют еще целый ряд преимуществ: устойчивость к химическим реагентам, большая износостойкость, высокие электрохимические характеристики и независимость проводимости от температуры.

Благодаря высокой электропроводности УВ и, особенно графитизированные, применяются для разнообразных целей: из углеродных тканей изготавливают нагревательные элементы, в частности, для обогреваемой одежды, одеял, грелок, малых по размеру элементов для обогрева помещений.

УВ применяют для изготовления нагревателей, используемых как при пониженных температурах в космических кораблях, так и в печах, работающих при высоких температурах.

Они используются также как наполнитель конструкционных пластиков для экранирования от электромагнитных помех.

Преимущество УВ состоит в том, что для достижения необходимой электропроводности волокнистого наполнителя требуется в 100 раз меньше, чем мелкодисперсной сажи. Кроме того, пластики с наполнителем из УВ могут служить для снятия электростатического заряда.

УВ применяют также для изготовления электродов. Такие электроды применяются для катодного восстановления металлов из использованных растворов электролитов, для очистки сточных вод в горнорудной промышленности и при производстве гальванопокрытий.

Сочетание высокой электропроводности и малой скорости изнашивания УВ использовано в щетках электромоторов. Щетки изготавливают как целиком из волокнистого материала, так и в виде армированных металлов (меди или серебра). Для увеличения проводимости УВ наполняют тонкодисперсным металлическим порошком, в этом случае проводимость материала лишь не-

значительно уступает проводимости чистой меди.

3.5 Применение углеродных волокон в спортивных товарах и товарах для отдыха

На производство некоторых видов спортивного инвентаря расходуется большое количество УВ. Это объясняется очень большими объемами производства этих товаров.

Как отмечено выше, первыми такими изделиями были клюшки для гольфа с углепластиковым стержнем. Высокая удельная жесткость стержня дала возможность уменьшить его массу, за счет чего был утяжелен крюк клюшки. Достигнутое таким способом увеличение момента инерции клюшки позволило увеличить скорость и дальность полета мяча.

Вслед за применением УВ при производстве клюшек для гольфа их стали применять в производстве рыболовных удилищ и теннисных ракеток. Особенно быстро рос спрос на рыболовные удилища, которые оказались значительно легче традиционных.

Кроме того, гибкость таких удилищ позволяет точнее и дальше забрасывать наживку.

В настоящее время в спортивной индустрии по объему потребления УВ на первое место вышло производство рыболовных удилищ, на второе – производство теннисных ракеток и на третье – клюшек для гольфа. В небольших количествах УВ используют для повышения жесткости досок виндсерфинга, крюков хоккейных клюшек, весел, стрел для луков, велосипедных рам и лыжных палок.

С помощью слоя углепластика на основе эпоксидного связующего повышают жесткость корпусов некоторых спортивных байдарок и каноэ, которые в основном делают из стеклопластика.

Углепластики на основе эпоксидных связующих используются при производстве гоночных автомобилей, в которых композиты применяют для снижения массы корпуса при сохранении прочности и жесткости.

Высокомодульные УВ применяют для производства высококачественных громкоговорителей, поскольку скорость звука на поверхности конуса литого углепластикового динамика в несколько раз выше, чем у традиционных громкоговорителей. Это позволило сделать динамик более плоским, т.е. более компактным и менее заметным. Производят также гитары и скрипки с углепластиковыми деками. Эти инструменты долговечнее деревянных, дольше сохраняют настройку и обеспечивают лучший звуковой резонанс.

3.6 Другие применения углеродных волокон

Волокна с развитой удельной поверхностью могут служить активными сорбентами, обладающими очень высокой адсорбирующей способностью, которая даже выше, чем у активированного угля. Они используются для поглощения разнообразных веществ, включая радиоактивные. Такие волокна используют в аэрозольных фильтрах для удаления токсичных или загрязняющих воздух веществ. При сжигании фильтров из углеродных материалов после их использования остается небольшое количество золы, что особенно важно при очистке среды от радиоактивных загрязнений, в этом их преимущество перед фильтрами из стеклянного волокна.

Высокая термостойкость позволяет применять УВ для изготовления теплозащитных средств: ткани из УВ представляют собой прекрасные тепловые экраны.

Заключение

В последнее время нарастает интерес к использованию углеродных волокон в различных областях промышленности и сферах жизни человека. Это связано с тем, что они обладают уникальным комплексом свойств: высоким уровнем физико-механических и химических свойств, долговечностью, стабильностью свойств при длительной эксплуатации в различных условиях. Углеродные волокна экологичны, не выделяют опасных для здоровья людей веществ в воздушной и водной средах, негорючие, жаростойкие.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список использованных источников

1 Углеродные волокна: учеб.пособие/А.И. Каданцева, В.А. Тверской – Москва:МИТХТ им. М.В. Ломоносова, 2008.-55с.

2 Структура, свойства и технология получения углеродных волокон: Сб.науч.ст. /Авт.-сост., пер. С.А.Подкопаев. Челябинск. Челяб. гос. ун-т, 2006.- 217 с.

3 Шоршоров М.Х., Саватеева С.М., Чернышева Т.А. и др. Композиционные материалы. - M.: Наука. - 1981. - С. 70.