Накарбоновой кухне: прочность
Для тех, кто ни при каких обстоятельствах в жизни не видел ткацкого производства, экскурсия в данный маленький цех имела возможность бы, предположительно, быть занимательной и информативной. Для остальных — ничего особого: шпулярник с громадным числом катушек, ткацкий станок — вот, фактически, и все. С той только отличием, что ткут тут совсем необыкновенные ткани. Из них не будут шить одежду, они не отправятся на палатки либо декоративную драпировку.
Скоро этим тканям предстоит потерять стать и гибкость базой легких, иногда красивых и в обязательном порядке нечеловечески прочных подробностей. Ткацкий цех предприятия «Препрег-СКМ», обосновавшегося в одном из корпусов бывшего завода-гиганта АЗЛК, — это, пожалуй, самая середина производственного процесса, на протяжении которого создается тот самый известный карбон, либо углепластик.
Вместо шерстяных либо хлопковых нитей к станку тянутся нити углеволокна — они смогут быть толще либо уже, да и ткань выходит с различными узорами плетения. Для чего такое разнообразие?
Чтобы было как в СССР
«Мы делаем ткани разных номиналов, структур плетения и разных плотностей — все в конечном счете зависит от того, в каких углепластиковых подробностях эти ткани будут употребляться, — растолковывает «ПМ» Андрей Антонов, начальник испытательной лаборатории предприятия.- Для применения в высоконагруженных конструкциях, к примеру в авиации либо судостроении, большей частью используются однонаправленные материалы, где волокно по большей части находится в одном направлении. В том месте имеется маленькое количество поперечных нитей (для скрепления всей ленты), но их процент весьма мал, менее 10%.
Особенность таких тканей содержится в том, что они реализуют собственные прочностные характеристики совершенно верно по линии, на протяжении которой лежит волокно. Будущая карбоновая подробность будет складываться из десятков, вероятно кроме того сотен слоев ткани. В случае если мы знаем, по каким направлениям на подробность будет появиться громаднейшее силовое действие, мы имеем возможность расположить ткань как раз так, дабы волокна большей части слоев кроме этого легли бы на протяжении этих векторов.
Это открывает широчайшие возможности для моделирования подробности, для задания ей неповторимых прочностных особенностей».
В цеху кроме этого ткутся так именуемые равнопрочные материалы, где процент нитей в базе и в поперечном направлении приблизительно однообразен. В виде углепластика эти ткани используются как для армирования, так и для подробностей, не испытывающих чрезмерных силовых нагрузок, но имеющих более эстетичный вид. Речь заходит, к примеру, об углепластиковых деталях для тюнинговых машин, протезах либо спортивном инвентаре.
В ткацком цеху по стенкам расставлено множество картонных коробок, где сохраняются катушки с углеволокном. На одном коробке клеймо завода «Аргон» в Балаково, второй приехал из далекого Тайваня, третий родом из Турции.
С заводом «Аргон» ясно: наровне с столичным «Препрег-СКМ» он входит в созданный всего лишь в 2009 году холдинг «Композит», объединивший под своим управлением пара предприятий по производству композитных материалов и имеющий собственной задачей развитие в стране композитных разработок. Но из-за чего Тайвань и Турция?
«Мы производим разностороннюю продукцию для различных применений, и, к сожалению, на сегодня отечественная отечественная индустрия пока не снабжает все потребности рынка в углеродных материалах. Приходится применять среди них и импортное волокно, — говорит Андрей Антонов. — 30 лет назад в СССР деятельно трудились над разработками производства углепластиков, внедряли их в авиации, других отраслях и атомной промышленности. Были основаны НИИ «Графит», завод «Аргон».
В те времена мы никак не отставали от зарубежных компаний, но постперестроечная эпоха и перестройка принесли с собой неприятности с финансированием. К счастью, мощности завода «Аргон» сохранились, но по разработкам мы очень сильно отстали от западных, а особенно — от японских компаний. Сейчас в рамках холдинга «Композит» ставится задача наверстать потерянное».
Химическая паутина
Чтобы выяснить, где в тёмных нитях скрывается тот самый хайтек, секреты которого ведущие производители углеволокна хранят как зеницу ока, мы отправились в соседний цех. В том месте находится лаборатория с оборудованием для производства ПАН-волокон — полупродуктов для изготовления углеволокна. ПАН — это полиакрилнитрил, полимер, приобретаемый из нефти методом оргсинтеза.
ПАН-волокно употребляется не только в композитной индустрии — из него делают, к примеру, синтетические ковры. Но далеко не все производитель таких волокон способен придать им нужное уровень качества для переработки в углеволокно. Более того, ведущие компании-производители композитных материалов предпочитают делать ПАН-волокно сами для себя, не демонстрируя потенциальным соперникам кроме того образцы.
Исходя из этого тут, в лаборатории НИИ холдинга «Композит», юные русские ученые пробуют усовершенствовать имеющиеся разработки производства ПАН-волокон и самостоятельно довести их до отметки мировых стандартов, дабы после этого внедрить на фирмах холдинга.
«Скоро тут покажется полноценный НИЦ, в котором мы будем изучать и совершенствовать все этапы технологического процесса — от синтеза полимеров до переработки волокон в углеволокно», — говорит Денис Фокин, инженер-исследователь.
Процесс начинается с изготовление полимерного раствора, в котором присутствует полиакрилнитрил, а в качестве растворителя употребляется диметилсульфоксид (ДМСО). Вязкий прядильный раствор янтарного цвета отфильтровывается с удалением частиц меньше микрона, обезвоздушивается и посредством шестеренчатого насоса подается в фильеру- экструдер, либо, возможно сообщить, сито с отверстиями диаметром 60−70 мкм.
Узкие филаменты, либо элементарные волокна, попадают в осадительную ванну, где осаждаются посредством воды. На приемный ролик подается жгутик, складывающийся из тысяч филаментов (их число в жгуте может варьироваться от 12 000 до 64 000). Потом его путь лежит в ванну пластификационной вытяжки.
Тут ПАН-волокно вытягивается, получая солидную прочность за счет ориентации макромолекул. Следующие производственные этапы— промывка (нужно избавиться от остатков растворителя, что потом помешает получению качественного углеволокна), обработка текстильно-запасными веществами (замасливатели и антистатики необходимы, дабы нить дополнительно не травмировалась при трении и не накапливался статический заряд), потом волокно может подвергаться дополнительной термовытяжке либо термофиксации в потоке тёплого воздуха.
На каждом этапе производства ПАН-волокна присутствуют собственные технологические тонкости, не учитывая которых нереально взять продукт, удовлетворяющий всем требованиям, предъявляемым к прекурсору (полупродукту). «У нас развитием данных разработок продолжительное время уделялось мало внимания, — говорит Денис Фокин. — Так, к примеру, на отечественных фирмах употребляется неорганический растворитель — роданистый натрий, тогда как ведущие компании наровне с роданистым натрием обширно используют органические растворители. На данный момент в отечественной компании деятельно разрабатываются разработке получения ПАН-волокна с применением органического растворителя ДМСО (диметилсульфоксид), что в возможности разрешит нам выйти на более большой технологический уровень».
Жар, смола и алмаз
не меньше серьёзны технологические тонкости и на следующем этапе композитного производства — при создании фактически углеволокна. Суть этого процесса содержится в том, дабы по окончании обработки в ПАН-волокнах остался минимум примесей, а количество углерода составляло бы 99%. Производство углеволокна включает три главных этапа, любой из которых связан с действием на волокно больших температур.
Первый этап — окисление (при температуре 250°С), второй — карбонизация, из-за которой при температуре около 1500 градусов в волокне образуются графитоподобные структуры, третий — графитизация (при температуре до 3000 градусов из волокон выводятся практически все оставшиеся примеси). В волокне образуются межатомные связи, приближающиеся к кристаллической структуре бриллианта, что придает волокну (по направлению на протяжении) немыслимую прочность. «самые дорогими видами углеволокна считаются весьма прочные узкие нити, состоящие всего из нескольких тысяч филаментов, — говорит Андрей Антонов. — К узким нитям больше требований при изготовлении. С толстыми жгутами трудиться легче, и выход больше, но из-за изюминок разработки эти нити не такие прочные».
Итак, готовые углеволокна оказываются в ткацком цеху, но между тканью и карбоновой подробностью стоит еще один этап — предварительной пропитки, либо изготовления «препрега» (от англ. prepreg — pre-impregnated, «предварительно пропитанный»).
Примечательно, что препреги смогут делаться как на базе тканей, так и на базе отдельных волокон, каковые укладываются рядом (быть может, с легким нахлестом). Получается что-то наподобие однонаправленной ткани, лишь без поперечных волокон — материал скрепляет связующее вещество на базе эпоксидных смол. И при с тканью, и при с отдельными волокнами разработка создания препрега приблизительно однообразна — материал из углеволокна выкладывается на лист бумаги, покрытый связующим веществом.
Сверху наносится второй слой связующего, поверх которого укладывается еще один бумажный лист. Данный «сэндвич» прокатывается через обогреваемые каландры (совокупность валиков), каковые, подобно асфальтовому катку, придают материалу плотность и нужную толщину. Бумага после этого удаляется.
Препрег — готовое сырье для выкладки подробности, которая будет складываться из множества слоев пропитанной смолами ткани и подвергнется запеканию в автоклаве. Но специфика производства содержится в том, что данный финал выполняется не специальной компанией, создающей композиты, а самим производителем самолетов, судов, машин и т. д. «Как раз исходя из этого компаниям, привыкшим трудиться с металлами, в особенности в авиации, иногда бывает очень сложно перейти на композиционные материалы, — говорит Андрей Антонов. — на данный момент мы организовываем центр разработки, что рекомендован как раз чтобы повышать уровень образованности инженеров этих компаний, помогать с проектированием и расчётами. Сохраняем надежду, что это окажет помощь распространению композитных разработок в Российской Федерации».
Волокна, рожденные золотом и платиной
На фото — фильера, особый экструзионный фильтр для продавливания через него прядильного раствора, содержащего полиакрилнитрил.
Фильера имеет тысячи отверстий диаметром 60−70 мкм и выполнена из драгоценных сплавов (к примеру, золотоплатинового). Продавленный через нее прядильный раствор осаждается в ванне в виде ПАН-волокна.
Так формируется жгут (прообраз будущей углеродной нити).
По окончании вытяжки, сушки и промывки волокно подвергается тщательному изучению: кроме того недостатки либо вкрапления наномасштабов смогут самым пагубным образом сказаться на качестве углеволокна. Разработка изготовления ПАН-волокна — оберегаемое производителями ноу-хау.
Волокна сопротивляются силе
Ткани, каковые вырабатываются из углеродных нитей, отличаются разнообразием картинок плетения.
Это связано с разными назначениями этих тканей. Для сильнонагруженных конструкций предпочтительнее однонаправленные ткани (фото слева вверху). С целью связывания и укрепления ленты параллельных нитей воедино употребляется арамидная нить (она выделяется ярким на тёмном фоне).
На протяжении создания композитной подробности друг на друга выкладываются десятки либо кроме того много слоев препрегов (страниц ткани, пропитанных смолой). Варьируя направления волокон у выкладываемых слоев, возможно добиться неповторимых прочностных черт композитной подробности.
Карбон усилит бетон и асфальт
Это изображения карбоновых решеток. Для того чтобы рода крупноячеистые ткани, превращаемые в легкие и прочные решетки, предназначены для армирования (конструкционного усиления) в строительных работах.
В частности, подобные решетки смогут быть уложены под асфальтобетонное покрытие, что фактически исключит происхождение колейности. Одно из направлений работы холдинговой компании «Композит» — создание особых углеродных тканей для восстановления обветшавших цементных конструкций типа мостов. Нанесение композитной защиты не только выручает мосты от разрушения, но и повышает их грузоподъемность.
Для России эта тема поразительно актуальна.
Как раз так ткут углеродные материалы для композитов.
Установленный в цеху станок универсален и может трудиться с углеродными нитями различной толщины, и создавать ткани с различным рисунком плетения. Толщина нитей определяется числом исходных элементарных волокон (филаментов), а единицей измерения есть «К" — другими словами тысяча филаментов. В производстве в большинстве случаев употребляются нити от 2,5 до 50 К.
Опробование железом
Для производителей композитных материалов основная задача — это борьба за прочность. Чем идеальнее разработка, тем громадные нагрузки выдержит углеродная нить. На фото — один из испытательных аппаратов, благодаря которым возможно проверить свойства ПАН-волокон.
Достаточно мельчайших недостатков либо чужеродных вкраплений (они смогут иметь наноразмеры), дабы прочностные характеристики волокна заметно ухудшились.
Статья размещена в издании «Популярная механика» (№118, август 2012).
<
h4>