3 Применение углеродных конструкционных материалов

Применение углеродных волокон для получения полимерных композиционных материалов позволило решить ряд новых технических задач, что связано с уникальностью свойств армирующих материалов на основе углерода. Так, углеродные волокна обладают высокими прочностными характеристиками, низкой плотностью, тепло- и электропроводностью, химической стойкостью, низким температурным коэффициентом линейного расширения, высокой устойчивостью к ионизирующему излучению, низким коэффициентом трения и др.

Благодаря этому армированные углеродными волокнами полимеры (углепластики) нашли применение в ракетостроении и химическом машиностроении, авиационной и космической технике, в производстве спортивного инвентаря и товаров ширпотреба. Лучшие марки отечественного углеродного волокна имеют прочность при растяжении свыше 4,0 Гпа и модуль упругости около 240 Гпа при плотности 1,75 г/см³, что выгодно отличает их от других армирующих наполнителей. Известны углеродные высокомодульные волокна с характеристиками 3,3 Гпа, 500 Гпа и 1,95 г/см³ соответственно.

Изготовление из углепластиков крупногабаритных панелей летательных аппаратов позволяет снизить их массу на 20–40 %, повысить жесткость на 50 %, в несколько раз увеличить выносливость и т.п. Это дает возможность повысить топливную экономичность и уменьшить загрязнение окружающей среды, так как более легкий самолет при полете сжигает меньше топлива.

Не осталось в стороне от технологического прогресса и автомобилестроение. Многие ведущие фирмы стремятся использовать углепластики в конструкции выпускаемой ими техники. Так, фирма Mercedes-Benz изготавливает автомобиль McLaren SLR с углепластиковым кузовом, который весит на 50 % меньше стального и на 30 % меньше алюминиевого. А использование углепластиковых крыши и бампера позволило повысить устойчивость автомобиля BMW M6 на дороге при больших скоростях движения, так как позволило опустить центр его тяжести. Фирма Honda изготавливает из углепластика воздухозаборники некоторых моделей. Масса таких воздухозаборников на 75 % меньше массы аналогичных деталей из алюминиевого сплава.

Предполагается использование углепластиков для изготовления следующих деталей автомобилей: листовых рессор, лонжеронов и поперечин рам, элементов крепления двигателя и коробки передач, рычагов подвески, карданного вала, шатунов, поддона картера двигателя и др.

Широко используются углепластики для производства корпусов ракетных двигателей. Такие изделия производят намоткой в виде коконов, они имеют высокую прочность, термостойкость и устойчивость к агрессивным средам.

Лучший спортивный инвентарь с низкой массой и очень высокой прочностью также делают из углепластиков. Это спортивные ракетки, велосипеды, лыжи, хоккейные клюшки, лодки, «каноэ» и др.

Наконец, весьма перспективно использование углепластиков в производстве оборудования для ветряных электростанций, так как при замене ими стеклопластика появляется возможность увеличить их высоту с 39 до 44 м при той же общей массе, что имеет большое значение для повышения их эффективности [2].

В электротехнике и электронике из углепластиков изготовляются высокопрочные электроды, электрические щетки, термопары, обладающие высокой электропроводностью, более высокой по сравнению с графитом ударной и временной прочностью. При этом снижаются затраты производства, увеличивается срок их службы. Рабочие температуры без доступа окислителей – выше 250°C. Кроме того, углепластики используются в корпусах приборов, радио- и телевизионных антенн, акустических системах и т.д., что обеспечивает защиту от электромагнитных излучений, улучшение технических характеристик. Применение углепластиков в несущих конструкциях каналов ирригационных систем, трубопроводах для транспортировки жидких и газовых (в том числе агрессивных) сред, воздуховодах, дымоходах и вытяжных стволах увеличивает срок их эксплуатации и приводит к снижению массы. Углепластики используют при производстве нагревательных элементов технического и бытового назначения, что позволяет увеличить срок их службы и экономить электроэнергию [4].

Перспективными для применения в газотурбинном двигателе (ГТД) являются углерод-углеродные композиционные материалы. К числу их достоинств относятся низкая плотность, высокие прочностные характеристики, теплопроводность. Однако для них необходимо решение проблемы выгорания или окисления при температурах выше 370 °С путем применения защитных покрытий веществ, связывающих кислород.

Широкое применение в деталях ГТД нашли композиты с керамической матрицей SiО. Один из наиболее известных материалов – УВ/SiС (Sepcarbinox) фирмы «SЕР». Сопло из Sepcarbinox может выдержать несколько циклов работы при 1700 К в течение 300 с без системы охлаждения.

Японской фирмой «Норитаке» разработан новый высокопрочный композит с керамической матрицей, армированный углеродными волокнами. Материал обладает высокой ударной вязкостью, которая в 6 раз выше ударной вязкости традиционных керамических материалов и не ухудшается в интервале температур до 1200 °С.

Для изготовления термостойких высокопрочных, конструкций, например ротора газовой турбины, вручную или с помощью машины готовят из кремниевых или углеродных волокон сетчатый каркас заданной формы, несколько меньший по сравнению с конечной формой элемента. Затем методом химического газофазного осаждения поверхность каркаса покрывают керамикой, что осуществляют с помощью лазера или высокочастотного индукционного нагрева.

Высокоплотные многоармированные УУКМ, полученные с применением пека, успешно применяют в соплах ракетных двигателей в самых теплонапряженных зонах, заменяя малопрочные графиты и тяжелые тугоплавкие сплавы на основе вольфрама и молибдена.

Известно использование УУКМ структуры для изготовления кромок несущих поверхностей летательных аппаратов, бронирования отсеков танков и судов.

Все шире внедряют УУКМ в конструкцию термического оборудования. Это силовые элементы футеровки высокотемпературных печей, замена графита в электродах дуговых электропечей, а также детали для токоподводящих устройств.

Другой областью применения УУКМ является атомная энергетика. Из этих материалов изготавливают трубы и элементы крепления теплообменников для высокотемпературных атомных реакторов с гелиевым охлаждением.

Проводятся работы по возможности использования УУКМ при изготовлении имплантатов в травматологии и ортопедии [7].

На рис. 3 представлены области применения УУКМ.

Рисунок 3 – Области применения УУКМ в условиях высоких тепловых нагрузок [3, c.93]

Таким образом, УУКМ используются в различных отраслях техники в тех случаях, когда традиционные материалы неработоспособны, т.е. в условиях высоких тепловых нагрузок и в узлах трения [3].

Рисунок 4 – Пример выполнения изделий из УУКМ