4 Применение углеродных волокон
Разнообразие областей применения углеродных волокон базируется на широком спектре их специфических характеристик.
Углеродные волокна имеют исключительно высокую теплостойкость. Это предопределяет возможность их применения в качестве тепловых экранов и теплоизоляционного материала в высокотемпературной технике. /1/
Благодаря высокой химической стойкости углеродные волокна применяют для фильтрации агрессивных сред, очистки газов, в системах улавливания вредных выбросов и защиты органов дыхания. Здесь они поглощают самые разные вредные вещества — вплоть до паров ртути — в 3—4 раза быстрее, чем активированный уголь.
Углеволокнистые ионообменники служат для очистки воздуха, а также, выделения из технологических газов и жидкостей ценных компонентов.
Также углеродные волокна используют в качестве разнообразных по назначению электронагревательных элементов, для изготовления термопар.
Еще одно замечательное свойство материалов на основе углеродных волокон - их способность хорошо проводить электричество и тепло. Это позволяет делать на их основе сухие безинерционные электронагреватели в виде либо жестких пластин, либо мягких тканей. Они совершенно безопасны в пожарном отношении, так как тепловой поток равномерно распределяется по большой поверхности, и их можно использовать для обогревания помещений или, например, сидений автомобилей.
Электропроводность углеродных волокон позволяет бороться и с доставляющим немало хлопот статическим электричеством: достаточно ввести в материал (ткань, бумагу) всего от 0,02 до 1 % углеродного волокна, чтобы электрические заряды полностью «стекали» с этого материала, как после обработки антистатиком.
Углеродные материалы имеют и медицинские области применения, живой организм их не отторгает. Поэтому если скрепить сломанную кость штифтом на основе углепластика, а поврежденное сухожилие заменить легкой и прочной углеродной лентой, то организм не воспримет этот материал как чужеродный.
А углеродные материалы, обладающие высокой адсорбционной активностью, с успехом применяют в виде повязок, тампонов и дренажей при лечении открытых ран и ожогов, для очистки крови и других биологических жидкостей, как лекарственное средство при отравлениях (благодаря их высокой способности сорбировать яды), как носители лекарственных и биологически активных веществ.
Из модернизированных углеродных волокон изготовляют электроды, термопары, экраны, поглощающие электромагнитное излучение, изделия для электро- и радиотехники. На основе углеродных волокон получают жесткие и гибкие электронагреватели, обогреваемую одежду и обувь. Нетканые углеродные материалы служат высокотемпературной изоляцией технологических установок и трубопроводов.
В настоящее время углеродные волокна используют для термозащиты космических кораблей, самолетов, ракет, изготовления их носовых частей, деталей двигателей. /14/
Именно в аэрокосмической технике очень остро требуются легкие и прочные материалы (двери грузового отсека и корпус твердотопливного ускорителя у космических кораблей). Существенно, что в авиации процесс замены алюминия на углепластик происходит не только в США, но и в европейских странах, Бразилии./11/
В конструкциях самолетов листовые панели на основе углеродной ленты вступили в спор со стеклопластиками, снижая вес конструкции на 15 %.
В настоящее время уже созданы самолеты, корпуса которых состоят целиком из углепластика.
Накопленный в авиации опыт может быть использован и в автомобилестроении.
До недавнего времени считалось, что углерод существует в трех формах — в виде алмаза, графита и аморфного углерода. Ученые же Института элементоорганических соединений АН СССР доказали, что есть и четвертый вариант — углерод с линейной структурой, получивший название карбин. По свойствам он — полупроводник. Но под действием света во много раз увеличивает электропроводность, благодаря чему может быть использован в фотоэлементах. А сегодня на основе карбина создано волокно витлан, незаменимое в восстановительной хирургии. Химики давно научились делать искусственные кровеносные сосуды из волокон. Но все они сохраняли недостаток естественных — в них образовывались тромбы. Сосуды же из витлана исключили эту опасность. /15/
Сравнивая углеродные волокна, например, со стеклянными, следует отметить, что они гораздо дороже, а, следовательно, область их применения определяется совокупностью характеристик цена/свойства. Можно сказать, что углеродные волокна используют для производства изделий, где определяющим фактором является не цена, а эксплуатационные свойства. Углепластики используют для производства дорогостоящего спортивного инвентаря, в авто- и мототехнике, а также военной промышленности (танки, ракеты, самолеты и др.). /16/
Заключение
Углеродные волокна имеют важную особенность – они практически на 100 % состоят только из атомов углерода, благодаря чему имеют черный цвет. Чтобы получить современные углеродные волокна с высокими физико-механическими показателями, потребовалось около века – обнаруживались новые исходные материалы, создавались технологии производства, которые затем постепенно совершенствовались. И к настоящему времени углеродные волокна в основном получают из трех материалов – полиакрилонитрильного волокна, вискозного корда и пеков.
Углеродные волокна обладают уникальными механическими свойствами, у них достаточно высокая прочность и модуль упругости. Причем при повышении температуры механические свойства не уменьшаются, а наоборот, возрастают. Среди всех материалов только углеродные волокна обладают такими специфическими свойствами. Углеродные волокна стойки к органическим растворителям, щелочам и кислотам, но недостаточно стойки к действию окислителей.
Изменяя параметры процесса, можно получать волокна с различными электрофизическими свойствами, благодаря чему они применяются для изготовления разнообразных по назначению электронагревательных элементов (для костюмов, отопления помещений, термопар и т.д.). Кроме того, углеродные волокна можно получать с очень высокой активной поверхностью. Такие волокна являются прекрасными сорбентами.
Таким образом, углеродные волокна благодаря своим специфическим свойствам имеют разнообразные области применения, начиная от сорбентов, электронагревательных элементов и заканчивая корпусами для самолетов и космических ракет. К сожалению, к недостаткам углеродных волокон относится высокая стоимость, что отчасти объясняется небольшими объемами их производства. По-видимому, при увеличении масштабов производства стоимость углеродных волокон значительно снизится.
Библиографический список
http://www.101.help-rus-student.ru/text/137.htm
http://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/234829
Мелешко А. И., Половников С. П. Углерод, углеродные волокна, углеродные композиты. – М.: «САЙНС-ПРЕСС», 2007. – 192 с.: ил.
http://www.polimerportal.ru/index.php/2008/11/poluchenie-uglerodnyx-volokon-i-ix-svojstva/
Роговин З. А. Основы химии и технологии химических волокон. – Т2. – Изд. 4-е, перераб. и доп. М., «Химия», 1974 г.
http://www.xumuk.ru/encyklopedia/2/4640.html
Патент №2330906 Способ получения непрерывного волокна с высоким модулем упругости // Подкопаев С. А., Тюменцев В. А от 19.03.2007 г.
Патент №1840615 Способ получения углеродного волокна // Бондаренко В. М., Шибаева Г. А., Азарова М. Т. от 27.08.2007 г.
Патент №2343235 Способ получения высокопрочного и высокомодульного углеродного волокна / Харитонов А. А. от 14.08.2007 г.
http://www.polymery.ru/letter.php?n_id=2882&sword=%F3%E3%EB%E5%F0%EE%E4%ED%FB%F5%20%E2%EE%EB%EE%EA%EE%ED
Углеродные волокна и углекомпозиты: Пер. с англ./Под ред. Э. Фитцера. – М.: Мир, 1998. – 336 с.: ил.
http://www.plast-tech.ru/content/kompozit/uglerodnye-volokna/33
В. У. Новиков, Л. П. Кобец, И. С. Деев Исследование углеродных волокон с использованием мультифрактального формализма / В. У. Новиков // Пластические массы. – 2004. - №2 – с.15
http://www.zavodmvm.com/materials/uglevolokno.html
http://www.bibliotekar.ru/evrika/7-20.htm
www.modificator.ru/articles/carbon_mat/14.jpg