Атомы углерода объединены в микроскопические кристаллы, выровненные параллельно друг другу. Выравнивание кристаллов придает волокну большую прочность на растяжение. Углеродные волокна характеризуются высокой силой натяжения, низким удельным весом, низким коэффициентом температурного расширения и химической инертностью.
До 2007 г. в СНГ углеродные волокна производились на двух предприятиях: «Аргон» (г. Балаково, Россия) - производство на основе ПАН (полиакрилонитрила) и ОАО «СветлогорскХимволокно» - производство на основе вискозы. Предприятие в Беларуси - крупнейший мировой производитель углеволокна из вискозы . Существовавшие во времена СССР в г. Бровары (под Киевом, Украина), г. Запорожье (Украина) г. С.-Петербурге (НПО «Химволокно»), г. Шуе (Россия) утрачены.
В настоящее время в России углеволокнистые материалы производятся АО «Препрег-СКМ» , ОАО «НПК «Химпроминжиниринг» (входит в структуру Росатома) , НПЦ «УВИКОМ» , ООО «Аргон» , «Нанотехнологический Центр Композитов» .
УВ имеют исключительно высокую теплостойкость: при тепловом воздействии вплоть до 1600-2000 °С в отсутствие кислорода механические показатели волокна не изменяются. Это предопределяет возможность применения УВ в качестве тепловых экранов и теплоизоляционного материала в высокотемпературной технике. На основе УВ изготавливают углерод-углеродные композиты, которые отличаются высокой абляционной стойкостью. УВ устойчивы к агрессивным химическим средам, однако окисляются при нагревании в присутствии кислорода. Их предельная температура эксплуатации в воздушной среде составляет 300-370 °С . Нанесение на УВ тонкого слоя карбидов, в частности SiC , или нитрида бора позволяет в значительной мере устранить этот недостаток. Благодаря высокой химической стойкости УВ применяют для фильтрации агрессивных сред, очистки газов, изготовления защитных костюмов и др. Изменяя условия термообработки, можно получить УВ с различными электрофизическими свойствами (удельное объёмное электрическое сопротивление от 2⋅10 −3 до 10 6 Ом/см) и использовать их в качестве разнообразных по назначению электронагревательных элементов, для изготовления термопар и др.
Активацией УВ получают материалы с большой активной поверхностью (300-1500 м²/г), являющиеся прекрасными сорбентами. Нанесение на волокно катализаторов позволяет создавать каталитические системы с развитой поверхностью.
Обычно УВ имеют прочность порядка 0,5-1 ГПа и модуль 20-70 ГПа, а подвергнутые ориентационной вытяжке - прочность 2,5-3,5 ГПа и модуль 200-450 ГПа. Благодаря низкой плотности (1,7-1,9 г/см³) по удельному значению (отношение прочности и модуля к плотности) механических свойств лучшие УВ превосходят все известные жаростойкие волокнистые материалы. Удельная прочность УВ уступает удельной прочности стекловолокна и арамидных волокон. На основе высокопрочных и высокомодульных УВ с использованием полимерных связующих получают конструкционные углеродопласты. Разработаны композиционные материалы на основе УВ и керамических связующих, УВ и углеродной матрицы, а также УВ и металлов, способные выдерживать более жёсткие температурные воздействия, чем обычные пластики.
УВ применяют для армирования композиционных, теплозащитных, химостойких и других материалов в качестве наполнителей в различных видах углепластиков . Наиболее ёмкий рынок для УВ в настоящее время - производство первичных и вторичных структур в самолетах различных производителей, в том числе таких компаний как «Boeing » и «Airbus » (до 30 тонн на одно изделие). По причине резко возросшего спроса в 2004-2006 гг. на рынке наблюдался большой дефицит волокна, что привело к его резкому подорожанию.
Из УВ изготавливают электроды, термопары , экраны, поглощающие электромагнитное излучение, изделия для электро- и радиотехники. На основе УВ получают жёсткие и гибкие электронагреватели, в том числе ставшие популярными т. н. «карбоновые нагреватели», обогревающие одежду и обувь. Углеродный войлок - единственно возможная термоизоляция в вакуумных печах, работающих при температуре 1100 °C и выше. Благодаря химической инертности углеволокнистые материалы используют в качестве фильтрующих слоёв для очистки агрессивных жидкостей и газов от дисперсных примесей, а также в качестве уплотнителей и сальниковых набивок. УВА и углеволокнистые ионообменники служат для очистки воздуха, а также технологических газов и жидкостей, выделения из последних ценных компонентов, изготовления средств индивидуальной защиты органов дыхания. Широкое применение находят УВА (в частности, актилен) в медицине для очистки крови и других биологических жидкостей. В специальных салфетках для лечения гнойных ран, ожогов и диабетических язв - незаменима ткань АУТ-М, разработанная в начале 80-х годов и опробованная при боевых действиях в Афганистане . Как лекарственное средство применяют при отравлениях (благодаря высокой способности сорбировать яды. Например препарат «Белосорб», или АУТ-МИ на основе светлогорского сорбента), как носители лекарственных и биологически активных веществ. УВ катализаторы используют в высокотемпературных процессах неорганического и органического синтеза, а также для окисления содержащихся в газах примесей (СО до CO 2 , SO 2 до SO 3 и др.). Широко применяется при изготовлении деталей кузова в автоспорте, а также в производстве спортивного инвентаря (клюшки, вёсла, лыжи, велосипедные рамы и компоненты, обувь) и т. д.
Углеволокно применяется в строительстве в различных системах внешнего армирования (СВА) - при его помощи усиливают железобетонные, металлические, каменные и деревянные конструктивные элементы зданий и сооружений с целью устранения последствий разрушения материала и коррозии арматуры в результате длительного воздействия природных факторов и агрессивных сред в процессе эксплуатации, а также для сейсмоусиления. Суть данного метода заключается в повышении прочности элементов, воспринимающих нагрузки в процессе эксплуатации зданий и сооружений, с помощью углеродных тканей, ламелей и сеток. Усиление строительных конструкций углеволокном повышает несущую способность без изменения структурной схемы объекта.
Композитные материалы давно не удивляют ни строителей, ни заказчиков. Все знают об их уникальных свойствах, способности намного лучше противостоять агрессивным внешним факторам, чем традиционные материалы. Вместе с тем жизнь не стоит на месте, и каждый год в этой сфере появляются новые разработки.
Об одной из них – углебетоне – стоит рассказать подробно. Об идее его создания, свойствах и перспективах внедрения в строительство.
Углеволокно – материал давно известный и очень востребованный в разных сферах промышленного производства. Но довольно дорогой.
Процесс получения графитовых нитей заключается в многоэтапном нагреве полиакрилонитрильных или вискозных волокон в разных средах до стадии обугливания. В результате чего и появляется материал, состоящий из чистого углерода.
Толщина углеродной нити всего 5-10 мкм, что тоньше человеческого волоса. Состоит она из выстроенных в кристаллическую решетку цепочек атомов углерода.
Это интересно. Чтобы разорвать стержень из углепластика толщиной 5 мм, потребуется усилие в 2500 кг. Тогда как такой же стержень из чугуна разрушится при 150 кг.
При этом плотность углеволокна в четыре раза ниже, чем у той же стали. Соответственно и весит материал вчетверо меньше.
Композитные материалы, в которых в качестве армирующего элемента используется углеволокно, применяются в машино- и самолетостроении, производстве спортивного инвентаря, строительстве.
Нас интересует именно строительство, поэтому остановимся на этой области применения:
Для справки. Чтобы обеспечить надежное сцепление с бетоном, на поверхность стержней наносится песчаное покрытие либо формируются выступающие ребра.
Углеволоконная арматура Армирующий каркас из композитных стержней Углеволоконная армирующая сетка Усиление перекрытий с использованием сетки
Углеткань обладает очень высокой прочностью, поэтому с её помощью усиливают новые конструкции, или возвращают утраченные характеристики старым.
Все это пока имеет мало общего с углебетоном. Но именно особые свойства углеродного волокна и натолкнули немецких ученых на мысль о создании нового материала.
Итак, ученые из дрезденского Института монолитного строительства, решили заменить металлическую арматуру в бетоне углеродистым волокном. Вернее, текстильным материалом, полученным из него путем переплетения с получением особой решетчатой структуры.
В результате они получили материал, буквально по всем параметрам превосходящий все известные сегодня виды бетонов. С намного большей прочностью, и меньшей удельной массой.
Внешне материал мало отличается от традиционного бетона Структура углебетона Строительный блок из углебетона
Несмотря на кажущуюся простоту изобретения, ученые-химики работали над ним несколько десятилетий, добиваясь, чтобы углеволоконный текстиль надежно сцеплялся с бетонной смесью. Для этого его обрабатывают специальным покрытием, состав которого пока держится в тайне изготовителем.
На данный момент разработано два способа производства углебетонных изделий:
При сравнении с железобетоном, углебетон выдает следующие преимущества:
Единственный минус материала – это его высокая стоимость. Однако если учесть, что конструкции из него получаются исключительно прочными, не требующими в течение многих лет ремонта и реконструкции, то этот минус компенсируется долговечностью эксплуатации.
К настоящему времени, разработчики уже нашли применение для этого уникального материала. В частности, они использовали его для реконструкции старых зданий исторической ценности в двух городах Германии. Без их помощи эти здания пришлось бы снести.
В будущем же планируется использовать углебетон в новом строительстве. Уже проведен эксперимент по возведению четырехметрового павильона из сложных элементов толщиной 4 сантиметра. Из железобетона такое здание построить невозможно, да и нужной прочностью оно отличаться не будет.
В статье изложена информация об углеволокне, его особенностях, свойствах и характеристиках. Мы расскажем об истории его создания, а также озвучим познавательные факты. Вы узнаете, как применить углеволокно в быту и строительстве, а также, как своими силами отремонтировать пластик.
Изделия из тканей, волокон, шнуров и лент, выполненных из современных углеводородов, успешно конкурируют по всем эксплуатационным показателям с привычными нам изделиями из стали и бетона . При этом они имеют в десятки, а порой и в сотни раз меньшую толщину и вес. Как можно объяснить человеку с устоявшимися взглядами тот факт, что пропитанный отвердевшей смолой холст толщиной всего 3 мм прочнее по всем показателям, чем техническая фанера 15 мм? Только опытным и демонстративным путём.
Материал был открыт Томасом Эдисоном в 1880 году в рамках исследований нити лампы накаливания. В последние 10 лет, с подачи зарубежных коллег в виде поставок дорогостоящих изделий из углеволокна, отечественные разработчики и производители занялись реанимацией углеводородных проектов, начатых в советский период, по всем направлениям.
Всем известно, что углерод востребован в любой форме, в каждой отрасли промышленности. Это производство буквально всего, что сделано не из металла, стекла, дерева или бетона. Но главным его преимуществом является то, что он способен не только дополнить традиционные материалы, но и заменить их с выгодой для человека и природы.
Видеорепортаж о российском производстве углеволокна
Этот современный материал начинает пользоваться спросом у ремонтников и строителей. Причины этого кроются в свойствах его компонентов:
Комбинация этих свойств даёт высокую эффективность при устройстве наружного армирования железобетонных, кирпичных и деревянных конструкций. Усиленный таким образом элемент получает дополнительно до 65% прочности на изгиб и до 120% прочности на сжатие. Это звучит маловероятно, но проведённые согласно ГОСТ, ТУ и СНиП испытания подтверждают это.
Испытания балок, армированных углеволокном, на видео
Усиленные углеволокном ж/б элементы — испытания на видео
Тому, кто собирается строить каменный дом или бассейн , делать капитальный ремонт, или реставрацию, стоит задуматься о карбоновом усилении. Существенное увеличение прочности позволяет уменьшить объём материала основы. То есть, холст держит огромные нагрузки, главное, было бы на что его наклеить.
Так, армирование композитом увеличивает прочность на сжатие почти вдвое с 280 кН до 520 кН (см. видео испытаний). Это значит, что объём опорного элемента — несущей стены, колонны, столба — можно смело уменьшать на 60-80%. Особое значение это имеет для отдалённых районов, куда затруднена доставка тяжёлого стройматериала.
Вторая основная область применения карбона в строительстве — реставрация несущих каменных элементов. Оклеечным армированием восстанавливают опоры и балки бетонных мостов. Это наиболее ответственные государственные объекты и их надёжность доверяют углеволокну. В частном строительстве нагрузки в десятки раз ниже, а значит, усиление фундамента или углов стен будет с огромным запасом прочности. Это прекрасная альтернатива традиционным способам — подливка фундамента бетоном или установка подобных стен.
Ещё одно полезное свойство композитного материала — его нетоксичность и безвредность после полимеризации. В готовом виде он имеет глянцевую поверхность и не вступает в реакцию с водой. Это будет интересно для того, кто решил возвести бассейн, водоём, кессон, силосную яму, отстойник или каменный септик . Для этого достаточно будет возвести стены в полкирпича с кладочной сеткой и оклеить с обеих сторон углеволокном. Застывший материал будет служить гидроизоляцией. Его монтаж аналогичен устройству армировочной сетки для утеплителя.
Стоимость таких работ будет составлять:
Свойства холста быть сначала гибким и эластичным, а после пропитки смолой исключительно прочным, можно (и нужно!) использовать и в повседневной жизни. В основном это касается ремонта или замены сломанных пластиковых деталей. С помощью этого материала можно склеить практически всё, а то, что склеить по каким-то причинам нельзя, можно воссоздать, используя испорченную деталь в качестве матрицы.
Рассмотрим возможность ремонта рукоятки молотка или топора при помощи углеволоконного рукава. Большинство полупрофессиональных ударных инструментов имеют рукояти из материала на основе стекловолокна — того же, что используют для производства высококачественных хоккейных клюшек.
Для ремонта потребуется:
Порядок работы:
Ремонт рукоятки из стеклопластика на видео
Технологию ремонта предлагает фирма SRS (значит, речь идёт о профессиональном спорте — нетрудно представить, какие нагрузки выдерживает изделие после ремонта).
С помощью углеволокна указанным способом можно также починить вещи, которые ранее было принято заменять:
Безусловно, весь спектр достоинств и возможностей передового многофункционального материала невозможно отобразить в одной статье. Домашнему мастеру достаточно знать о нём одно — для того, кто имеет в арсенале холст и ленту из углеволокна и эпоксидные компоненты, проблемы ломаного пластика не существует.
»
Композиты CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer) — современные облегчённые и прочные материалы. Этот вид композитов удачно применим для производства различных продуктов, используемых в повседневной жизни. Полимерный композит карбона – это , выступающего в качестве главного компонента. Следует отметить: символ «Р» аббревиатуры CFRP допускает также расшифровку «пластик», а не только «полимер».
Композиты CFRP, как правило, создаются с применением термореактивных смол:
Несмотря на тот факт, что термопластичные смолы используются в составе композитов CFRP, часто можно встретить несколько иную аббревиатуру, определяющую композит как CFRTP (Carbon Fiber Reinforced Thermoplastic Composites). В принципе, разница несущественная.
Тем не менее, при работе с композитами важно понимать все относимые к ним термины и аббревиатуры. Не менее важно понимать свойства композитов CFRP и все возможности участвующего в них силового компонента, коим является карбон.
Строительная отрасль в наше время активно развивается посредством внедрения новых материалов, а также за счет использования инновационных технологий. Наиболее актуальными являются проблемы возведения сооружений, которые отличались бы устойчивостью к динамическим нагрузкам и агрессивным условиям окружающей среды. Так для укрепления бетонных конструкций стали использовать углеволокно, которое ранее применялось только в самолёто- и ракетостроении.
На сегодняшний день углерод в том или ином виде востребован практически во всех промышленных отраслях. Особенностью и главным его преимуществом является то, что он способен гармонично дополнять традиционные строительные материалы, будь то стекло, метал, дерево или бетон или же и вовсе заменить их, что весьма выгодно и для человека, и для природы.
Открыт углерод еще в 1880 году Т. Эдисоном в процессе исследования нити лампы накаливания. Благодаря зарубежным производителям и промышленникам углеволокно стало активно применяться в различных отраслях, в том числе и в строительстве. На территории нашей страны последние проекты с использованием углеволокна разрабатывались еще в советские времена, потому сейчас они активно реанимируются инженерами.
Углеродное волокно является продуктом искусственного происхождения и относится к полимерам с композитной структурой. Формируется из тонких нитей (диаметр от 3 до 15 микрон), а нити, в свою очередь, из атомов углерода, которые объединяются в кристаллическую сетку. За счёт физических особенностей атома углерода, кристаллы в сетке располагаются параллельно относительно друг друга. Такое выравнивание является ключевым фактором, который способствует повышенной прочности волокна на растяжение.
Широкое использование углеволокна в аэрокосмической сфере и оборонной промышленности, а также для сооружения зданий обосновано тем, что по твердости материал значительно превосходит металл. Углеволокно в строительстве начали использовать в 1980 году в Калифорнии для укрепления построек, находящихся в сейсмически активной зоне. В отечественном строительстве материал применяется, как правило, в процессе ремонтных работ, но его популярность и сфера использования постепенно растет.
Столь продолжительный эксплуатационный срок углеволокна обусловлен такими характеристиками:
Составляющей углеродного волокна является полиакрилнитрит, который предварительно обрабатывается высокой температурой (в пределах 3000° - 5000°С). Учитывая вышеописанные технические характеристики, наиболее частой сферой применения углеволокна в строительстве является внешнее армирование.
При этом волокно пропитывается двухкомпонентной эпоксидной смолой, которая выступает связующим веществом. Монтаж производится аналогично обоям – материал просто наклеивается на поверхность конструкции, которая укрепляется.
Использование именно эпоксидной смолы в качестве связующего вещества обусловлено следующими особенностями материала:
Благодаря таким характеристикам углеволокно занимает лидирующие позиции среди композитных материалов. Прочность материала на разрыв в 4 раза превосходит сталь лучших марок, несмотря на то, что он на 75% легче железа и на 30% алюминия. Удельный вес углеродного волокна относительно низкий, а при нагревании материал расширяется незначительно, что обеспечивает возможность применение углеволокна в различных климатических зонах.
Список недостатков карбона короткий, но обязательно должны быть учтены при планировании строительства. Выделяют три основных недостатка:
Эффективность карбона позволяет успешно применять его для армирования конструкций из дерева, кирпича или железобетона. Согласно СНиП и ГОСТ, сооружение, усиленное таким материалом, становится прочнее на сжатие до 120%, а на изгиб получает еще плюс 65% прочности.
Помимо такого варианта использования, углеродное волокно также успешно используется для реставрации каменных конструкций, к примеру, балок и опор бетонных мостов. В частном строительстве усиление фундамента или стен посредством карбона придаст сооружению большой запас прочности.
Усиление построек с помощью армирования карбоном необходимо в таких случаях:
Если углеродное волокно было выбрано на этапе проектирования постройки, как один из компонентов системы внешнего армирования, то в работе следует руководствоваться Сводом правил 164.1325800.2014.
Производя армирование самостоятельно, нужно учитывать, что наклеивание карбона осуществляется в зонах наибольшей нагрузки: как правило, это центральная часть пролета, которая соприкасается с нижней гранью. Для работы с изгибами можно выбрать любой тип материала – ленты, сетки или ламели.
В процессе армирования балок может возникнуть необходимость дополнительного укрепления приопорных зон, что повысит несущую способность всей конструкции при поперечной нагрузке. Для этого используют U-образные хомуты из лент или сеток.
Углеволокно в строительстве может быть использовано для усиления зданий и сооружений из таких материалов:
Чтобы процесс усиления постройки прошёл максимально эффективно, следует обеспечить ряд таких условий:
Несмотря на возрастающую популярность использования углеродного волокна, технология его применения остаётся достаточно сложной для домашнего мастера. Потому если вы хотите осуществить строительные или ремонтные работы с таким композитным материалом, то следует доверить это профессионалам. Компания ИнноваСтрой уже много лет успешно осуществляет проекты по возведению объектов разной сложности.
Нашей фирме по силам любые задачи: начиная от проектирования постройки до сдачи готового объекта с отделкой. Что касается углеволокна, то это очень дорогой материал, который требует определенных навыков его монтажа, а также наличие специального оборудования. Для успешного выполнения армирования следует подготовить поверхность и сам композитный материал, правильно осуществить его монтаж (что зависит от типа конструкции), а затем грамотно нанести следующие слои.
ИнноваСтрой готова взяться за весь спектр работ по армированию постройки, а также выполнить ремонтные работы уже готовых сооружений с укреплением их карбоном. Мы работаем в строительной сфере уже не первый год и знаем территориальные особенности каждого региона, а потому сможем рассчитать целесообразное количество материала.
Сотрудничество домов и коттеджей с нами является гарантией таких преимуществ:
Убедиться в нашем профессионализме вы можете, связавшись с менеджером компании по телефону. Мы с радостью ответим на все ваши вопросы и предоставим консультацию. Настало время заказать индивидуальный проект дома и получить жилье своей мечты!
