Углеродное волокно является одним из ключевых армирующих материалов для производства современных полимерных композиционных материалов. Оно сочетает небольшую плотность с высокими показателями прочности и жесткости, благодаря чему материалы на его основе применяются в авиации, беспилотной технике, автомобилестроении, машиностроении, судостроении, энергетике, спортивном оборудовании и других высокотехнологичных отраслях.
Производство самого углеродного волокна представляет собой сложный многоэтапный технологический процесс. Исходный полимерный прекурсор проходит формование, вытяжку, стабилизацию, высокотемпературную карбонизацию и поверхностную обработку. В результате получают тонкие углеродные филаменты, которые объединяют в жгуты.
Однако получение волокна — только первый этап создания будущего композиционного материала. В дальнейшем из углеродных жгутов производят ткани, однонаправленные ленты и другие армирующие материалы, а при объединении армирования с полимерным связующим получают препреги и готовые углепластиковые конструкции.
Важно отметить, что ИТЕКМА не занимается производством первичного углеродного волокна. Компания производит материалы на его основе — углеродные ткани, однонаправленные углеродные ленты, препреги, а также связующие, клеевые и другие технологические материалы для изготовления изделий из ПКМ.
Углеродное волокно — это волокнистый материал с высоким содержанием углерода, состоящий из большого количества очень тонких непрерывных нитей — филаментов.
Диаметр одного филамента измеряется микрометрами. Для практического использования множество отдельных филаментов объединяют в один жгут. Именно углеродные жгуты впоследствии становятся исходным материалом для производства тканей, однонаправленных лент и других типов армирующих наполнителей.
Главная особенность углеродного волокна заключается в высоких удельных механических характеристиках. Это означает, что материал способен обеспечивать высокую прочность и жесткость при относительно небольшой массе.
При этом само углеродное волокно еще не является углепластиком. Для получения готового полимерного композиционного материала необходимо объединить армирующие волокна с полимерной матрицей.
Процесс начинается с исходного волокнистого материала, который называют прекурсором.
Наиболее распространенным сырьем для получения высокопрочных углеродных волокон является полиакрилонитрильный прекурсор — ПАН-прекурсор.
Кроме ПАН-систем существуют технологии производства углеродного волокна на основе специальных пеков и других исходных материалов. Однако именно полиакрилонитрильный путь получил широкое распространение при производстве конструкционных углеродных волокон.
Свойства прекурсора оказывают непосредственное влияние на характеристики будущего углеродного материала. Значение имеют химический состав полимера, структура волокна, его однородность, ориентация молекулярных цепей и наличие дефектов.
ПАН-прекурсор — это специально подготовленное полиакрилонитрильное волокно, предназначенное для последующего преобразования в углеродное.
При его производстве особое внимание уделяется однородности структуры и ориентации полимерных цепей вдоль продольной оси волокна.
Это важно потому, что будущие механические характеристики углеродного филамента во многом определяются структурой, которая формируется еще до высокотемпературной обработки.
Дефекты исходного прекурсора могут сохраняться или усиливать свое влияние на последующих стадиях, поэтому стабильность его качества является одним из важных условий производства углеродного волокна.
В упрощенном виде технологический процесс можно разделить на несколько последовательных этапов:
На каждом этапе изменяется химическая и физическая структура исходного материала. В результате полимерное волокно постепенно превращается в углеродное с заданными механическими характеристиками.
На начальном этапе из полимерного материала получают большое количество тонких непрерывных нитей.
В процессе формования необходимо обеспечить стабильный диаметр филаментов и однородность структуры по всей длине.
После формирования нити подвергают вытяжке. Это способствует ориентации молекулярных цепей преимущественно вдоль продольной оси волокна.
Такая ориентация имеет большое значение для будущих механических характеристик материала, поскольку углеродное волокно наиболее эффективно воспринимает нагрузку именно вдоль своего направления.
Перед воздействием очень высоких температур прекурсор необходимо перевести в термически устойчивое состояние. Для этого выполняется этап стабилизации.
ПАН-прекурсор нагревается в окислительной среде при контролируемой температуре. В структуре полимера происходят сложные химические превращения, в результате которых формируется термостабильная структура.
Этот этап необходим для того, чтобы при дальнейшей карбонизации волокно не расплавилось и не потеряло свою форму.
Стабилизация требует точного контроля температуры, продолжительности нагрева, скорости прохождения материала через технологическую линию и натяжения волокон.
После стабилизации начинается один из основных этапов — карбонизация.
Волокно нагревается до высокой температуры в атмосфере с минимальным содержанием кислорода, как правило, в инертной среде.
При нагревании из структуры постепенно удаляется значительная часть атомов и соединений, не относящихся к формирующейся углеродной структуре.
Содержание углерода увеличивается, а внутреннее строение волокна существенно перестраивается.
Для производства конструкционных углеродных волокон температуры карбонизации превышают 1000 °C. Конкретный технологический режим зависит от исходного прекурсора и требуемых характеристик материала.
Во время карбонизации необходимо контролировать натяжение волокна. Это помогает сохранить необходимую ориентацию структуры вдоль продольной оси и влияет на итоговые механические характеристики.
Для некоторых типов углеродного волокна после карбонизации применяется дополнительная обработка при еще более высоких температурах.
Цель такого процесса — дальнейшее изменение и упорядочивание углеродной структуры.
С помощью технологического режима можно изменять баланс между прочностью и модулем упругости волокна. Например, для определенных областей применения требуется материал с особенно высокой жесткостью.
При этом максимальная жесткость и максимальная прочность не обязательно достигаются при одинаковых технологических условиях. Поэтому режим производства выбирается в соответствии с назначением конкретной марки волокна.
После карбонизации материал уже имеет сформированную углеродную структуру, однако для производства качественного композита важно обеспечить эффективное взаимодействие волокна с полимерной матрицей.
Поверхность углеродного волокна относительно инертна. Для повышения эффективности взаимодействия со связующим применяется специальная поверхностная обработка.
Она изменяет состояние поверхности филамента и способствует формированию прочной границы раздела между армированием и полимерной матрицей.
Этот фактор имеет большое значение для механических характеристик готового углепластика. Нагрузка в композиционном материале должна эффективно передаваться между матрицей и армирующими волокнами.
После поверхностной обработки на волокно может наноситься очень тонкое технологическое покрытие, которое называют аппретом или sizing.
Аппрет выполняет несколько функций.
Он защищает тонкие филаменты от повреждений при перемотке, транспортировке и последующем производстве тканей или лент.
Кроме того, состав аппрета может подбираться с учетом типа полимерной матрицы, с которой впоследствии будет использоваться углеродное армирование.
Поэтому при выборе материала для ответственных композиционных конструкций важна не только марка самого волокна, но и состояние его поверхности.
После производства отдельные филаменты объединяются в углеродные жгуты.
Количество филаментов в жгуте принято обозначать буквой K. Одна единица K соответствует приблизительно одной тысяче отдельных филаментов.
Таким образом:
Само значение K не показывает, насколько волокно прочное или качественное. Оно характеризует прежде всего количество филаментов в жгуте.
Различные типы жгутов используются для производства материалов с разной поверхностной плотностью, структурой и назначением.
Получение готового углеродного жгута завершает производство первичного волокна, но не производство материала для будущей композитной детали.
Следующий этап — переработка углеродных жгутов в удобную форму армирования.
На их основе могут производиться:
Именно архитектура армирования определяет, в каких направлениях будущая композитная конструкция сможет наиболее эффективно воспринимать нагрузку.
Углеродные ткани получают из жгутов углеродного волокна по текстильной технологии.
Жгуты располагаются в направлениях основы и утка и переплетаются по определенной схеме.
Одними из наиболее распространенных вариантов являются полотняное и саржевое переплетения.
Полотняное переплетение характеризуется большим количеством точек пересечения основы и утка. Благодаря этому ткань хорошо сохраняет структуру.
Саржевое переплетение содержит меньше точек пересечения, благодаря чему материал обычно обладает лучшей драпируемостью и удобнее принимает форму сложной поверхности.
ИТЕКМА производит углеродные ткани на основе углеродного волокна с различной поверхностной плотностью и архитектурой переплетения для применения в качестве армирующих наполнителей ПКМ.
Тканый материал содержит армирование минимум в двух направлениях. Однако во многих конструкциях основные нагрузки действуют преимущественно вдоль одной определенной оси.
В таких случаях применяют однонаправленные углеродные ленты.
В них основная масса углеродных волокон ориентирована практически параллельно друг другу.
Такая архитектура позволяет наиболее полно реализовать механические характеристики углеродного волокна вдоль направления армирования.
Однонаправленные материалы используются в силовых элементах и других конструкциях, где направление основной нагрузки известно заранее.
ИТЕКМА производит однонаправленные углеродные ленты, в том числе материалы на основе углеродных волокон 3K и 12K.
Углеродное волокно и углеродная ткань — это разные стадии технологической цепочки.
Углеродное волокно представляет собой отдельные углеродные филаменты, собранные в жгут.
Углеродная ткань является армирующим материалом, изготовленным путем переплетения таких жгутов.
Поэтому корректно говорить, что углеродная ткань производится на основе углеродного волокна.
Еще чаще возникает путаница между понятиями «углеродное волокно» и «углепластик».
Углеродное волокно выполняет функцию армирующего компонента.
Углепластик — это уже готовый полимерный композиционный материал, состоящий из углеродного армирования и полимерной матрицы.
В качестве матрицы могут использоваться, например, эпоксидные и другие типы связующих.
Армирующие волокна преимущественно воспринимают механическую нагрузку, а матрица фиксирует их положение, обеспечивает передачу нагрузки между отдельными волокнами и слоями и формирует целостную конструкцию.
Связующие ИТЕКМА для производства ПКМ
Один из способов производства углепластиковых изделий заключается в использовании сухой углеродной ткани или однонаправленной ленты совместно с жидким полимерным связующим.
Например, при вакуумной инфузии слои сухого армирующего материала укладывают в форму в соответствии с заданной схемой армирования.
После этого формируют герметичный вакуумный пакет и создают разрежение. Под действием перепада давления связующее поступает в армирующий пакет и пропитывает волокна.
После завершения пропитки и отверждения связующего формируется монолитный углепластиковый материал.
Кроме вакуумной инфузии могут применяться RTM, ручное формование, прессование и другие производственные процессы.
Альтернативным способом является использование препрега.
Препрег представляет собой армирующий материал, который еще на стадии производства полуфабриката пропитан точно дозированным количеством полимерного связующего.
Преимущество такого подхода заключается в возможности контролировать содержание связующего и получать воспроизводимую структуру материала.
При производстве детали слои препрега выкладывают в соответствии с расчетной схемой армирования, после чего выполняют формование и отверждение по заданному технологическому режиму.
ИТЕКМА выпускает препреги на основе углеродных наполнителей и собственных полимерных систем.
Например, препрег ВНТ120Т производится на основе эпоксидного связующего и углеродных армирующих наполнителей и предназначен для автоклавной и безавтоклавной переработки.
Одной из ключевых особенностей композиционных материалов является зависимость механических характеристик от направления армирования.
Углеродные волокна наиболее эффективно воспринимают растягивающую нагрузку вдоль своей продольной оси.
Поэтому при проектировании детали определяется не только количество армирующего материала, но и направление каждого слоя.
Например, часть слоев может быть ориентирована вдоль основной нагрузки, другие — поперек нее или под углом.
Сочетание слоев с различной ориентацией позволяет создавать структуру материала под реальные нагрузки, действующие на деталь.
Архитектура углеродной ткани оказывает влияние как на технологичность материала, так и на характеристики будущей конструкции.
При большом количестве точек переплетения структура ткани становится более стабильной, однако жгуты сильнее изгибаются в местах пересечения.
Материалы с меньшим количеством точек переплетения могут лучше драпироваться и повторять геометрию формы.
Поэтому выбор ткани зависит от конкретной детали.
Для относительно простой поверхности может быть важна стабильность полотна, тогда как при формовании сложной объемной геометрии большое значение приобретает драпируемость.
Контроль качества начинается еще на стадии изготовления первичного волокна и продолжается на всех последующих этапах.
Для углеродного волокна важны стабильность структуры филаментов, механические характеристики и качество поверхности.
При производстве углеродных тканей дополнительно контролируются поверхностная плотность, структура переплетения, количество нитей и однородность полотна.
Для однонаправленных лент большое значение имеет ориентация основных армирующих волокон.
При производстве препрегов контролируются характеристики армирующего наполнителя, количество связующего и равномерность его распределения.
Таким образом, качество готового композита формируется последовательно на каждом этапе технологической цепочки.
Высокие механические характеристики углеродного волокна связаны с особенностями его внутренней структуры и ориентацией углеродных образований преимущественно вдоль продольной оси филамента.
Технология производства направлена на формирование структуры, способной эффективно воспринимать нагрузку в этом направлении.
Небольшой диаметр отдельных филаментов также имеет значение: крупные дефекты встречаются в тонком элементе реже, чем в массивном материале.
Однако высокая прочность отдельного волокна еще не гарантирует аналогичных характеристик готовой детали.
В композиционном материале большое значение имеют качество пропитки, адгезия между волокном и матрицей, отсутствие пор, схема армирования и правильное отверждение связующего.
Углеродное волокно относится к технологически сложным материалам.
Производство требует качественного прекурсора, точного контроля термохимической стабилизации и карбонизации, оборудования для работы при высоких температурах и в контролируемой атмосфере.
Кроме того, необходимо управлять натяжением и положением непрерывного волокна в течение всего технологического процесса.
После высокотемпературной обработки требуется контролируемая поверхностная модификация и последующая защита филаментов.
Высокие требования предъявляются и к стабильности процесса: свойства километров непрерывного волокна должны оставаться воспроизводимыми.
Основное применение углеродного волокна связано с производством полимерных композиционных материалов.
Материалы на его основе используются в:
В контексте деятельности ИТЕКМА важно разделять два производственных этапа.
Первичное углеродное волокно ИТЕКМА не производит. Компания использует углеродное волокно как исходный армирующий материал и производит на его основе материалы для изготовления полимерных композиционных конструкций.
Одно из направлений производства ИТЕКМА — углеродные ткани. В ассортименте представлены ткани на основе углеродных жгутов с различной архитектурой и поверхностной плотностью.
Второе направление — однонаправленные углеродные ленты. Они позволяют ориентировать основную массу волокон вдоль требуемого направления нагрузки.
В материалах ИТЕКМА используются, в частности, углеродные жгуты 3K и 12K.
Следующее направление — препреги на основе углеродного армирования. В таких материалах ткань или однонаправленная лента заранее объединяются с контролируемым количеством полимерного связующего.
Кроме армирующих материалов и препрегов, ИТЕКМА производит связующие, конструкционные клеи, клеевые пленки, технологические материалы и другие компоненты, необходимые для разных технологий изготовления изделий из ПКМ.
Материалы ИТЕКМА для производства ПКМ
При создании композитной конструкции недостаточно выбрать только марку исходного углеродного волокна.
Необходимо учитывать архитектуру армирования и весь технологический процесс изготовления детали.
При выборе углеродного материала оценивают:
Например, для элемента, воспринимающего основную нагрузку вдоль одной оси, может быть рационально использование однонаправленной ленты.
Для детали сложной объемной формы может потребоваться хорошо драпируемая ткань.
Если необходим контролируемый состав будущего ПКМ и высокая воспроизводимость технологического процесса, может применяться готовый препрег.
Чтобы понимать роль каждого материала, полный технологический путь можно представить следующим образом:
полимерный прекурсор → углеродное волокно → углеродный жгут → ткань или однонаправленная лента → объединение с полимерным связующим → формование → отверждение → изделие из углепластика.
При препреговой технологии промежуточным материалом становится готовый препрег, в котором армирование уже содержит необходимое количество связующего.
Таким образом, производство самого углеродного волокна является лишь первым звеном большой технологической цепочки.
Для характеристик конечного изделия одинаково важны качество волокна, архитектура армирования, характеристики полимерной матрицы и соблюдение технологии формования.
Одним из основных исходных материалов для производства конструкционного углеродного волокна является полиакрилонитрильный прекурсор, или ПАН-прекурсор. В процессе стабилизации и последующей высокотемпературной карбонизации его структура преобразуется в углеродную.
Основные этапы включают производство и формование прекурсора, вытяжку, стабилизацию, высокотемпературную карбонизацию в инертной среде, поверхностную обработку и нанесение технологического покрытия. После этого филаменты объединяются в жгуты.
На разных этапах используются разные температурные режимы. Стабилизация проводится при относительно умеренной температуре, а при карбонизации температура превышает 1000 °C. Для отдельных типов высокомодульных волокон применяется дополнительная обработка при еще более высокой температуре.
Буква K обозначает приблизительное количество тысяч отдельных филаментов в углеродном жгуте. Например, 3K — около 3000 филаментов, а 12K — около 12 000.
В разговорной речи словом «карбон» часто называют и углеродное волокно, и ткань, и готовые изделия. Технически это разные понятия. Углеродное волокно является армирующим материалом, а углепластик представляет собой готовый композит из углеродного армирования и полимерной матрицы.
Углеродное волокно состоит из тонких филаментов, которые объединяют в жгуты. Углеродную ткань получают уже из этих жгутов путем их переплетения.
Это армирующий материал, в котором основная масса углеродных волокон ориентирована параллельно в одном направлении. Такая структура позволяет эффективно воспринимать нагрузки вдоль оси армирования.
Углепластик — полимерный композиционный материал, в котором углеродное волокно выполняет функцию армирования, а полимерное связующее формирует матрицу и объединяет волокна в целостную конструкцию.
Углеродный препрег представляет собой углеродный армирующий материал, заранее пропитанный контролируемым количеством полимерного связующего. Он используется как полуфабрикат для последующего формования и отверждения детали.
Нет. ИТЕКМА не является производителем первичного углеродного волокна. Компания производит материалы на его основе — углеродные ткани, однонаправленные углеродные ленты, препреги и другие материалы для изготовления полимерных композиционных конструкций.
ИТЕКМА производит углеродные ткани и однонаправленные углеродные ленты, а также препреги на основе углеродных армирующих наполнителей. Компания также выпускает связующие, клеевые и другие технологические материалы для производства ПКМ.
Производство углеродного волокна представляет собой сложный многостадийный процесс. Исходный полимерный прекурсор проходит формование, вытяжку, стабилизацию, карбонизацию, поверхностную обработку и ряд дополнительных технологических операций.
В результате получают тонкие углеродные филаменты, которые объединяются в жгуты. Однако на этом путь материала к готовой композитной конструкции только начинается.
Из углеродного волокна производят ткани, однонаправленные ленты и другие армирующие материалы. После объединения армирования с полимерным связующим и последующего формования получают углепластиковые изделия.
ИТЕКМА специализируется именно на этой части технологической цепочки: компания не производит первичное углеродное волокно, а выпускает материалы на его основе — углеродные ткани, однонаправленные ленты и препреги, а также связующие и другие материалы для производства ПКМ.
В ассортименте ИТЕКМА представлены углеродные ткани и ленты на основе волокон 3K и 12K. Такие армирующие материалы могут применяться совместно со связующими компании, а также использоваться в составе препрегов для различных технологий формования.
Материалы ИТЕКМА для производства полимерных композиционных материалов