Вугляпластыкі

**Вугляпластыкі** (або карбон, карбонапластыкі, ад  — вуглярод) — палімерныя кампазіцыйныя матэрыялы з пераплеценых нітак вугляроднага валакна, размешчаных у матрыцы з палімерных (напрыклад, эпаксідных) смол. Шчыльнасць — ад 1450 кг/м³ да 2000 кг/м³.

Матэрыялы адрозніваюцца высокай трываласцю, калянасцю і малой масай, часта больш трывалыя за сталь, але значна лягчэйшыя. Па ўдзельных характарыстыках пераўзыходзяць высокатрывалую сталь, напрыклад, легіраваную канструкцыйную сталь 25ХГСА.

З прычыны дарагоўлі пры эканоміі сродкаў і адсутнасці неабходнасці атрымання максімальных характарыстык гэты матэрыял ужываюць у якасці ўзмацняючых дапаўненняў у асноўным матэрыяле канструкцыі.

## Асноўныя звесткі 
Асноўная састаўная частка вугляпластыку — гэта ніткі вугляроднага валакна, якое складаецца ў асноўным з атамаў вугляроду. Такія ніткі вельмі тонкія (прыкладна 0,005-0,010 мм у дыяметры), зламаць іх вельмі проста, а вось парваць дастаткова цяжка. З гэтых нітак сплятаюцца тканіны. Яны могуць мець розны малюнак пляцення (ялінка, рагожа і інш.).

Для надання тканіне яшчэ большай трываласці, ніткі вугляроду кладуць пластамі, кожны раз змяняючы вугал напрамку пляцення. Пласты змацоўваюцца з дапамогай эпаксідных смол.

Ніткі вугляроду звычайна атрымліваюць тэрмічнай апрацоўкай хімічных або прыродных арганічных валокнаў, пры якой у матэрыяле валакна застаюцца галоўным чынам атамы вугляроду. Тэрмічная апрацоўка складаецца з некалькіх этапаў:

# Першы з іх уяўляе сабой акісленне зыходнага (поліакрыланітрыльнага, віскознага) валакна на паветры пры тэмпературы 250 °C на працягу 24 гадзін. У выніку акіслення ўтвараюцца лесвічныя структуры.
# Пасля акіслення следуе стадыя карбанізацыі — нагрэву валакна ў асяроддзі азоту або аргону пры тэмпературах ад 800 да 1500 °C. У выніку карбанізацыі адбываецца ўтварэнне графітападобных структур.
# Працэс тэрмічнай апрацоўкі заканчваецца графітызацыяй пры тэмпературы 1600-3000 °C, якая таксама праходзіць у інэртным асяроддзі. У выніку графітызацыі колькасць вугляроду ў валакне даводзіцца да 99 %.

Акрамя звычайных арганічных валокнаў (часцей за ўсё віскозных і поліакрыланітрыльных), для атрымання нітак вугляроду могуць быць выкарыстаны спецыяльныя валокны з фенольных смол, лігніну, каменнавугальных і нафтавых пекаў. Акрамя таго, дэталі з карбону пераўзыходзяць па трываласці дэталі са шкловалакна, але пры гэтым абыходзяцца значна даражэй.

Дарагоўля карбону выклікана, перш за ўсё, больш складанай тэхналогіяй вытворчасці і большым коштам вытворных матэрыялаў. Напрыклад, для праклейкі слаёў выкарыстоўваюцца больш дарагія і якасныя смолы, чым пры працы са шкловалакном, а для вытворчасці дэталяў патрабуецца больш дарагое абсталяванне (да прыкладу, такое як аўтаклаў).

### Недахопы 
Пры вытворчасці вугляпластыкаў неабходна вельмі строга вытрымліваць тэхналагічныя параметры, пры парушэнні якіх трываласць вырабаў рэзка зніжаецца. Неабходныя складаныя і дарагія меры кантролю якасці вырабаў (у тым ліку ультрагукавая дэфектаскапія, рэнтгенаўская, токавіхравая, аптычная галаграфія і нават акустычны кантроль).

Іншым сур’ёзным недахопам вугляпластыкаў з’яўляецца іх нізкая ўстойлівасць да ўдарных нагрузак. Пашкоджанні канструкцый пры ўдарах староннімі прадметамі (нават пры падзенні інструмента на яе) у выглядзе ўнутраных расколін і расслаенняў могуць быць нябачныя воку, але прыводзяць да зніжэння трываласці; разбурэнне пашкоджанай ударамі канструкцыі можа адбыцца ўжо пры адноснай дэфармацыі, роўнай 0,5 %.

## Вытворчасць 
* **Прэсаванне**. Вуглетканіна высцілаецца ў форму, папярэдне змазаную антыадгезівам (напрыклад, мыла, воск, воск у бензіне, Цыатым-221, крэмнійарганічныя змазкі). Прамакаецца смалой. Лішкі смалы выдаляюць у вакууме (вакуум-фармаванне) або пад ціскам. Смала палімерызуецца, часам пры награванні. Пасля палімерызацыі смалы выраб гатовы.
* **Кантактнае фармаванне**. На прыкладзе вырабу бампера: бярэцца металічны зыходны бампер, змазваецца раздзяляльным пластом. Затым на яго напыляецца мантажная пена (гіпс, алебастр). Пасля зацвярдзення здымаецца. Гэта матрыца. Затым яе змазваюць раздзяляльным пластом і выкладваюць тканінай. Тканіна можа быць папярэдне прасякнутай, а можа прамакацца пэндзлем або палівацца непасрэдна ў матрыцы. Затым тканіна пракатваецца валікамі — для ўшчыльнення і выдалення бурбалак паветра. Затым ідзе палімерызацыя (калі ацвярджальнік гарачага ацвярджэння, то ў печы, калі не, то пры пакаёвай тэмпературы 25 °C). Затым бампер здымаецца, калі трэба — шліфуецца і фарбуецца.
* **Вакуумная інфузія**. На падрыхтаваную матрыцу выкладваецца вугляродная тканіна (без насычэння), далей выкладваюцца тэхналагічныя пласты для раўнамернага распаўсюджвання злучальнага рэчыва. Пад тэхналагічны пакет падаецца разрэджанне. Пасля гэтага адкрываецца клапан падачы злучальнага рэчыва, і яно пад дзеяннем вакууму запаўняе пустэчы і насычае вугляродную тканіну.
* **Вакуумнае фармаванне**. Гэта змяненне формы плоскіх нарыхтовак (лістоў або плёнак) з тэрмапластычнага палімернага матэрыялу пры падвышаных тэмпературах і ўздзеянні вакууму ў аб’ёмныя фармаваныя вырабы. За кошт адносна невысокага кошту тэхналагічнай аснасткі гэта тэхналогія аказваецца вельмі прывабнай пры вытворчасці партый вырабаў ад 10 да 5000 шт., а часам і да 30.000 шт.
* **Пултрузія**. Тэхналогія вырабу высоканапоўненых валакном кампазіцыйных дэталяў з пастаяннай папярочнай структурай. У цяперашні час актыўна выкарыстоўваецца ў вытворчасці палімерных кампазіцыйных матэрыялаў, напрыклад, для вытворчасці вугляродных ламелей (пласцін).
* **Намотка**. Сутнасць тэхналогіі заключаецца ў бесперапынным намотванні папярэдне прасякнутага ровінга (шклянога, вугляроднага, базальтавага, камбінаванага) або стужкі на папярэдне падрыхтаваную форму — мандрэль. Пасля намотвання неабходнай колькасці слаёў мандрэль з намотанымі пластамі змяшчаецца ў награвальную печ для далейшай палімерызацыі.
* **RTM**. Сухі армавальны матэрыял укладваецца паміж дзвюх частак герметычна закрытай цвёрдай аснасткі. Злучальнае рэчыва нізкай глейкасці падаецца пад ціскам у прэс-форму, выцясняючы паветра ў бок дрэнажных каналаў да таго часу, пакуль форма не будзе запоўненая. Прэс-формы для гэтай тэхналогіі, як правіла, вырабляюцца з металу з нізкім КЛТР. Гэта тэхналогія добра падыходзіць для дробнасерыйнай і сярэднесерыйнай вытворчасці, ад 500 да 2 0000 вырабаў у год.
* **LFI**. Тэхналогія LFI (Long Fiber Injection — доўгавалаконная інжэкцыя) была распрацавана нямецкай фірмай Krauss Maffei ў 1995 годзе. Характарыстыка вытворчасці: інжэкцыя доўгага валакна, працэс выкарыстоўваецца для вытворчасці кампанентаў інтэр’еру і экстэр’еру аўтамабіляў, канструкцыя якіх мае складаную форму, буйныя габарыты і афарбаваную паверхню класа А. У гэтым працэсе сечанае валакно з асембляванага ровінга напыляюць у форму (матрыцу) з кантраляванай тэмпературай. У гэты ж час змешваецца вадкі ізацыянат і паліёл, падаецца сумесна з сечаным валакном у матрыцу. Усе гэтыя кампаненты напыляюцца ў форму (матрыцу), форма змыкаецца і запаўняецца шляхам пашырэння поліўрэтанавай пены ў выніку хімічнай рэакцыі ўведзеных кампанентаў. Праз некалькі хвілін палімерызацыя скончана, і выраб можа быць выняты з матрыцы.
* **SMC/BMC**. Матэрыял наразаецца, у адпаведнасці са схемай раскрою, і пераносіцца ў прэс-форму, нагрэтую да працоўнай тэмпературы. Прэс-форма змыкаецца, у выніку чаго пад ціскам матэрыял расцякаецца ў паражніны формы і ацвярджаецца. У канцы цыклу выраб здабываецца з прэс-формы, і выконваецца яго канчатковая механічная апрацоўка і афарбоўка (калі гэта неабходна).

Трубы і іншыя цыліндрычныя вырабы вырабляюць намотваннем. Форма валакна: нітка, стужка, тканіна. Смала: эпаксідная або поліэфірная. Магчымы выраб формаў з вугляпластыку ў хатніх умовах, пры наяўнасці вопыту і абсталявання.

## Прымяненне 
Вугляпластыкі шырока выкарыстоўваюцца пры вырабе лёгкіх, але трывалых дэталяў, замяняючы сабой металы, у многіх вырабах ад частак касмічных караблёў да вудаў, сярод якіх:

* ракетна-касмічная тэхніка;
* авіятэхніка (самалётабудаванне, верталётабудаванне — напрыклад, апорныя вінты);
* суднабудаванне (караблі, спартовае суднабудаванне);
* аўтамабілебудаванне (спартыўныя аўтамабілі — напрыклад, бамперы, парогі, дзверы, вечка капотаў; матацыклы, прататыпы MotoGP, баліды Формулы 1 — кокпіты і абцякальнікі, а таксама пры афармленні салонаў);
* навука і даследаванні;
* узмацненне жалезабетонных канструкцый;
* спартыўны інвентар (ролікавыя канькі, ровары, футбольныя буцы, хакейныя клюшкі, лыжы, лыжныя палкі і чаравікі, ракеткі для тэніса, падставы для настольнага тэніса, ляза канькоў, стрэлы, абсталяванне віндсерфінгу, моналасты, вёслы);
* медыцынская тэхніка;
* пратэзабудаванне;
* рыбалоўныя снасці (вуды);
* прафесійныя фота- і відэаштатывы;
* бытавая тэхніка (аздабленне карпусоў тэлефонаў, ноўтбукаў, рукаяці складаных нажоў і інш.);
* мадэлізм;
* музычныя інструменты (струны);
* выраб індывідуальных супінатараў (асабліва для спорту);
* інструменты для рукадзелля (вязальныя спіцы);
* карбон слаба паглынае рэнтгенаўскае выпраменьванне, таму з яго вырабляюць акенцы рэнтгенаўскіх і шырокадыяпазонных гама-дэтэктараў (праз якія выпраменьванне пранікае ў дэтэктар).

## Палімеры, узмоцненыя вугляроднымі нанатрубкамі (CNRP) 
Вугляродныя нанатрубкі як аснова вугляпластыку ў некалькі разоў больш трывалыя і гнуткія за гуму і нават лягчэйшыя за O2. Матэрыял моцна адрозніваецца ад звычайнага вугляроднага валакна. Такі тып вугляпластыку ўжыты, у прыватнасці, у канструкцыі самалёта Lockheed Martin F-35 Lightning II.

## Літаратура 
* Справочник Дж. Любина «Композиционные материалы», М., 1988. 

Катэгорыя:Канструкцыйныя матэрыялы