КАРБОН И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ

Разина Ольга Михайловна

преподаватель, Самарский машиностроительный колледж, г. Самара

E-mail:

CARBON AND ITS APPLICATION

Olga Razina 

Lecturer, Samara Engineering College, Samara

АННОТАЦИЯ

Целью работы было исследовать карбон на основании используемой литературы. Исследование было проведено теоретическими методами и практическими: был проведен социологический опрос среди студентов, который показал, что многие из них информированы, что такое карбон и где он применяется.

ABSTRACT

The goal was to investigate the carbon on the basis of literature used. The study was conducted theoretical methods and practical: a survey was conducted among students, who showed that many of them are aware that such a carbon, and where it is applied.

Ключевые слова: карбон; применение карбона; углепластик; термическая обработка; карбон в автомобилестроении.

Keywords: carbon fiber; the use of carbon fiber; carbon fiber; heat treatment; the carbonin the automotive industry.

Карбон - каменноугольный период палеозойской эры (начало – 360 млн. лет, конец – 286 млн. лет назад). Но нас интересует другой карбон, а именно композитный материал. Он относится к классу углепластиков - материалов, объединяющих в себе несколько тысяч различных рецептур. Все эти материалы роднит одно - наполнителем в них являются углеродные (графитные) частицы, чешуйки и волокна. [3]

Еще несколько лет назад карбон как материал был довольно редок и мало известен - как материал из-за его довольно трудоемкого способа изготовления и вследствие этого - высокой цены, так почему же в на данный момент карбон довольно распространен и имеет широкое употребление в различных сферах человеческой деятельности, в таки как например: автомобилестроение, тюнинг, дизайн, спорт и многое другое… Именно это мы и хотим понять и описать в нашем проекте, сопоставить карбон с другими материалами, сравнить технические характеристики, провести консультацию со специалистом в этой области.

Начнем с того что карбон относится к угле пластикам, углепластики (или карбон, карбонопластики, от "carbon", "carbone" - углерод) — полимерный композиционный материал из переплетенных нитей углеродного волокна, расположенных в матрице из полимерных (например, эпоксидных) смол. Плотность — от 1450 кг/куб.м. [6]

Материалы отличаются высокой прочностью, жёсткостью и малым весом, часто прочнее стали, но гораздо легче (по удельным характеристикам превосходит высокопрочную сталь, например 25ХГСА).

Вследствие дороговизны (при экономии средств и отсутствии необходимости получения максимальных характеристик) этот материал обычно применяют в качестве усиливающих дополнений в основном материале конструкции.

Основные сведения.

Основная составляющая часть углепластика — это нити углерода (по сути, то же самое, что и, например, стержень в карандаше). Такие нити очень тонкие (примерно 0.005—0.010 мм в диаметре), сломать их очень просто, а вот порвать достаточно трудно. Из этих нитей сплетаются ткани. Они могут иметь разный рисунок плетения (ёлочка, рогожа и др.). [5]

Для придания ещё большей прочности данные ткани из нитей углерода кладут слоями, каждый раз меняя угол направления плетения. Слои скрепляются с помощью эпоксидных смол.

Применяется для изготовления лёгких, но прочных деталей, например: велосипеды, кокпиты и обтекатели в Формуле 1, спиннинги, мачты для виндсерфинга, бамперы, пороги, двери, крышки капотов на спортивных автомобилях, несущие винты вертолётов.

Нити углерода обычно получают термической обработкой химических или природных органических волокон, при которой в материале волокна остаются

Температурная обработка состоит из нескольких этапов.

Первый из них представляет собой окисление исходного (полиакрилонитрильного, вискозного) волокна на воздухе при температуре 250 °C в течение 24 часов. В результате окисления образуются лестничные структуры.

После окисления следует стадия карбонизации — нагрева волокна в среде азота или аргона при температурах от 800 до 1500 °C. В результате карбонизации происходит образование графитоподобных структур.

Процесс термической обработки заканчивается графитизацией при температуре 1600-3000 °C, которая также проходит в инертной среде. В результате графитизации количество углерода в волокне доводится до 99 %.

Помимо обычных органических волокон (чаще всего вискозных и полиакрилонитрильных), для получения нитей углерода могут быть использованы специальные волокна из фенольных смол, лигнина, каменноугольных и нефтяных пеков. Кроме того, детали из карбона превосходят по прочности детали из стекловолокна. Детали из карбона обходятся значительно дороже аналогичных деталей из стекловолокна. [4]

Карбон в авто мире.

Давайте теперь более подробно поговорим о применение карбона в автомобилестроении, а именно в тюнинге. Тюнинг делится на две части внутренний и внешний. Внутренний тюнинг подразумевает под собой отделку интерьера автомобиля, отдельные детали салона, например это может быть просто рычаг ручника или дверная ручка, либо полностью отделанный карбоном тоннель и передняя консоль авто. [2]

К внешнему же тюнингу относится изготовление кузовных деталей из карбона – это спойлеры, подкрылки, крылья, капоты, багажники, части крыши, зеркала, бамперы и многое другое. Факт экономии веса очевиден, в среднем с замены стального капота на карбоновый, выигрыш в весе составляет 8 кг, а если заменить крылья, бампер и.т. д. - эффект будет ещё существенней, при покупке карбона внешность играет не последнюю роль, машину в карбоновом обвесе никогда не подвергнут сомнениям, даже скептики.

Карбон прочно прописался в сцеплении автомобилей, причём из углеволокна могут быть выполнены не только фрикционные накладки, но и сам диск сцепления. Известны однодисковые и двухдисковые карбоновые сцепления.

Карбоновый диск сцепления имеет высокий коэффициент трения, что позволяет снизить необходимость высокого прижимного усилия и, соответственно, способствует передаче более высокого крутящего момента. Легкий вес самого диска позволяет снизить момент инерции мотора, тем самым достичь больших оборотов. Кроме того, подобное сцепление в три раза сильнее сопротивляются износу, чем обычное. Фрикционные карбоновые накладки – это износостойкая, высокопрочная и высокотемпературная альтернатива органическим накладкам. По своим фрикционным качествам, карбоновые наклаладки выдерживают на 10 % больше крутящего момента, по сравнению с обычными, без увеличения прижимной силы корзины. Износостойкость превышает обычные органические накладки в 2—4 раза. [1]

Ещё одной областью применения карбона стали тормоза, вернее, тормозные диски. Дело в том, что автомобиль Ф-1 способен остановиться со скорости 300 км/ч всего за 4 секунды! При таких торможениях гонщик испытывает горизонтальные перегрузки до 5,2 g. Эти невероятные характеристики обеспечивают тормоза с дисками из карбона, способные работать при высочайших температурах. Они выдерживают до 800 циклов нагрева за гонку. Каждый из них весит менее килограмма, тогда как стальной аналог как минимум в три раза тяжелее. На этом закончим об автомобилях и перейдем к не менее интересной теме дизайна и употребления карбона в повседневной жизни.

Карбон в повседневной жизни.

И так, где же мы можем увидеть карбон в нашей повседневной жизни? Да практически везде! Это может быть что угодно – кроссовки, наушники, шлемы, атрибуты ПК, корпусы телефонов, гитары, спиннинги, сумки, детали декора, а некоторые даже видят и ощущают этот шикарный материал, идя по утрам в туалет.

Приведем пару примеров об употребления карбона в дизайне и в конструкциях. В качестве первого примера возьмем сотовый телефон компании Nokia, а именно модель Nokia 8800 Carbon Arte. В своем сегменте премиум-телефонов Nokia 8800 стала иконой вслед за предыдущими моделями этой серии во многом из-за своего шикарного исполнения в карбоне. Корпус из карбона предаёт ощутимый внешний эффект и неплохой объёмный эффект. Понятное дело, что углепластик за прозрачным защитным слоем, он лакирован. На лаке практически не остается следов от пальцев и щёк. В целом телефон вышел довольно не заурядным, интересным и функциональным, всем кто готов прям сейчас бежать в магазин и покупать Nokia 8800 Carbon Arte я могу лишь позавидовать и сказать, что им нужно приготовить чуть больше 50 000 рублей.

Вторым примером широкого употребления карбона будет ружье для подводной охоты Omer XXV GolD. Это ружьё имеет карбоновый ствол диаметром 25 мм и толщенной стенок 1.5 мм ствол ружья XXV Gold снабжен отформованной из карбона направляющей по всей длине ствола, что при общем малом весе ствола обеспечивает ему очень хорошую точность и жесткость боя. Головная часть «трансформер» позволяет использовать ружье, как и со стандартными гарпунами, так и с предназначенными для охоты на особо крупную рыбу гарпунами с зацепами Shark Fin. В комплектацию ружья XXV Gold помимо раздельных тяг OMER Power 18 входит также дополнительная тяга Power 18 и катушка OMER Match 30. Это ружьё представляет собой юбилейную серию ружей Т20 выпускавшихся в течение 25 (как следует из названия) лет и за все эти годы его конструкция была доведена до совершенства и полностью лишена, каких либо недостатков.

Совершенный дизайн, конструкция и применение таких высокотехнологичных материалов как карбон делают это ружьё идеальным выбором продвинутого охотника. С таким ружьём можно успешно охотиться на весьма крупную рыбу ну или, в крайнем случае, отстреливаться от грабителей.

И так мы подходим к заключительной части нашего проекта. В этой части проекта мы хотели бы вам рассказать как не странно об игре карбон, а именно Ned For Speed Carbon. Зачем спросите вы, я отвечу на этот вопрос. Дело в том что слово карбон в нашей много миллионной стране и ни только в нашей стране у многих людей ассоциируется именно с компьютерной игрой.

Давайте поведем итоги нашей небольшой научной работы и выведем все плюсы и минусы карбона.

У карбона есть как свои плюсы, так и минусы. Основными достоинствами являются прочность и небольшой вес. По прочности карбон не уступает большинству металлов, а по весу карбон на 40 % легче стали и на 20 % легче алюминия. Кроме того, детали из карбона превосходят по прочности детали из стекловолокна. Этим и обусловлено широкое применение карбона в автоспорте. Ведь в автоспорте снижение веса при сохранении прочности является очень важным моментом. Например, кокпиты болидов Формулы 1 выполнены из карбона.

Теперь о минусах. Первое что тормозит продвижение карбона в "массы автолюбителей" - это конечно цена. По стоимости детали из карбона значительно превосходят аналогичные детали из стекловолокна. Высокая стоимость карбона обусловлена, прежде всего, более сложной технологией производства и большей стоимостью производных материалов. Например, для проклейки слоев используются более дорогие и качественные смолы, чем при работе со стеклотканью, а технология производства деталей подразумевает наличие более дорогостоящего оборудования, к примеру такого, как автоклав.

К минусам карбона можно отнести и боязнь точечных ударов. Например, капот из карбона после некоторого времени эксплуатации может превратиться в решето после частого попадания мелких камней.

Также, детали из карбона подвержены выцветанию под воздействием солнечных лучей. Т. е. после определенного времени цвет будет отличаться от первоначального.

Стоит отметить и невозможность восстановления после повреждений. Т. е. в отличие от металлических деталей или деталей из стеклоткани восстановить первоначальный вид карбоновых просто невозможно. Поэтому, после даже незначительного повреждения всю деталь придется менять целиком.

Исследовательская часть работа.

Также в рамках проекта мною была проведена исследовательская работа которая заключалась в двух частях это метод соц. опроса и взятия интервью у специалиста в области карбона.

Первым я решила взять интервью у специалиста. Для этого я обратилась в авто салон VIP авто, где мне был выделен специалист, помещение, и необходимые ресурсы. Во время проведения беседы я в достоверности увидела, как используется карбон в автомобилестроении, и так же его имитация. Дмитрий подробно рассказал, как проходит процесс подготовки, непосредственно сама обклейка, и обслуживание. Были выявлены плюсы и минусы карбона и его имитации такие как например невосприимчивость карбона к низким температурам а именно ниже 20 градусов, обесцвечивание карбона солнцем, отличается частичной ремонтопригодностью и высокой прочностью. В плане карбоновой обклейки были выявлены такие как цена, внешний вид и характеристики. Цена обклейки от самого карбона очень отличается, на примере капота автомобиля карбоновый капот и его имитация отличаются в разы, несмотря на значительно меньшую стоимость обклейка имеет практически идентичный внешний вид, человек в первые видевший карбон и его имитацию не в силах определить где что. Несмотря на это главное все таки обклейка проиграла оригиналу, это характеристики, потому как карбон применяют в основном из-за высокой прочности и малого веса. Так что выбирать только вам. Мы выражаем искреннюю благодарность всему коллективу авто салона VIP авто особенно начальнику отдела дополнительного оборудования Витякову Александру Николаевичу и Дмитрию Власаву специалисту в области материалов и обклейки.

Мною был проведен опрос на тему карбона.

Анкета-опроса

1)Вы знаете что такое карбон? (Да, нет)

2)У вас есть какая либо вещь из карбона? (Есть, нет)

3)Где чаще всего используется карбон? (3)Авто, Утварь, Декор)

4) Купили бы вы вещь с имитацией карбона? (Да, нет)

5)Что привлекает вас в карбоне? (Красота, Прочность)

Рисунок 1. Результаты социологического опроса

Список литературы:

1.Коробенко В. Н., Савватимский А. И. «Углепластик»: науч. пособие, М.: Вестник, 1997. - 130 с.

2.Лахтин Ю. М. «Материаловедение»: Учебник, М.: Оникс, 1990. – 528 с.

3.Любин Д. А. «Композиционные материалы»: справочник. М.: Рассвет, 1988. - 187 с.

4.http://autorelease.ru/articles/automobile/840-ugleplastik-v-avtomobilestroenii-plyusy-i-minusy.html (дата обращения 15.06.2011)

5. http://proavtotuning.ru/carbon.html (дата обращения 12.05.2011)

6.http://www.maxi-tuning.ru/post/11810/default.asp (дата обращение 20.05.2011)