Углепластик

Материал из VeloWiki
Перейти к: навигация, поиск
Карбоновый подседельный штырь

Углепластик (или карбон, англ. carbon fibre composite) — полимерный композиционный материал из переплетенных нитей углеродного волокна, расположенных в матрице из полимерных (например, эпоксидных) смол. Плотность — от 1450 кг/куб.м.

Материал отличается высокой прочностью, жёсткостью и малым весом, часто прочнее стали, но гораздо легче (по удельным характеристикам превосходит высокопрочную сталь, например 25ХГСА). Углепластиковые детали имеют крайне высокую стоимость, в 1,5-2 раза выше алюминиевых того же уровня.

Содержание

[править] Технология

Основная составляющая часть углепластика — это нити углерода. Такие нити очень тонкие (примерно 0.005-0.010 мм в диаметре, сломать их очень просто, а вот порвать достаточно трудно.

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

Температурная обработка состоит из нескольких этапов:

  1. Окисление исходного (полиакрилонитрильного, вискозного) волокна на воздухе при температуре 250 °C в течение 24 часов. В результате окисления образуются лестничные структуры.
  2. Стадия карбонизации — нагрева волокна в среде азота или аргона при температурах от 800 до 1500 °C. В результате карбонизации происходит образование графитоподобных структур.
  3. Стадия графитизации при температуре 1600-3000 °C — также проходит в инертной среде. В результате графитизации количество углерода в волокне доводится до 99 %.

Из этих нитей сплетаются ткани (трубчатые детали изготавливают намоткой). Они могут иметь разный рисунок плетения (ёлочка, рогожа и др.). Для придания еще большей прочности данные ткани из нитей углерода кладут слоями, каждый раз меняя угол направления плетения. Слои скрепляются с помощью эпоксидных смол.

Дороговизна карбона вызвана, прежде всего, сложной технологией производства и высокой стоимостью производных материалов. Например, для проклейки слоев используются более дорогие и качественные смолы, чем при работе со стеклотканью, а для производства деталей требуется более дорогое оборудования (к примеру, такое как автоклав).

Недостатком карбона является боязнь «точечных» ударов (например, о камень). Восстановить первоначальный вид карбоновых деталей после повреждения невозможно. Поэтому после даже незначительного повреждения всю деталь придется менять целиком. Справедливости ради, следует отметить, что удар, вызвавший повреждение карбоновой детали, также может необратимо повредить аналогичную алюминиевую или стальную: [1].

[править] Применение

Карбоновая рама в процессе изготовления

Карбон широко применяется для изготовления легких велосипедных деталей высшего уровня. В их числе:

Известно, что карбоновая деталь значительно прочнее алюминиевой равного веса. Например, практически не встречаются алюминиевые рамы легче 1400 г (из-за их низкой надежности и прочности), при этом карбоновые рамы весом 1000 г выпускаются серийно рядом производителей. Поэтому гонщики шоссе и кросс-кантри, стремящиеся максимально облегчить велосипед, предпочитают именно карбон.

Еще одно преимущество — возможность обеспечения анизотропии (направленности) свойств материала путем изменения способа намотки углеволокна и его строения. Карбоновые детали будут жесткими там, где это необходимо, и в то же время — гасить вибрации, если это требуется.

С другой стороны, для туристов и покатушечников, которые не страдают вейтвиннерством, крайне высокая стоимость карбоновых деталей критичнее их малого веса, поэтому в широком кругу байкеров карбоновые детали встречаются редко.

Помимо этого, в среде байкеров ходят легенды о низкой прочности карбоновых деталей. Однако гонщики, имеющие дело с карбоном, заявляют следующим образом:

  • Эти легенды идут с начала 2000-х гг, а с тех пор технология производства углепластика была радикально усовершенствована, увеличена стойкость к ударам и долговечность[1].
  • Если сравнивать 150-граммовый карбоновый руль с 400-граммовым алюминиевым или стальным, то последний, разумеется, прочнее. Если же сравнивать 150-граммовые рули, то из всех вариантов более прочным окажется именно карбоновый.
  • В пользу карбона также говорят давно производимые из него детали гоночных автомобилей, самолетов, снаряжение для зимнего спорта и т. д.

[править] Сравнительные характеристики

Материал
Характеристика
Углеродистая «кроватная» сталь Хромомолибденовая сталь Алюминиевый сплав Титановый сплав Углепластик (карбон)
Предел прочности, МПа 400-800 600-1100 250-500 600-1100 1600
Плотность, г/см3 7,8 7,85 2,6-2,8 4,5 1,75
Подверженность износу (коррозия, усталость и др.) Высокая Низкая Высокая Низкая Низкая
Ремонтопригодность в походных условиях Высокая Высокая Низкая Отсутствует Отсутствует
Ориентировочная жесткость Ниже среднего Средняя Высокая Средняя Практически любая, в зависимости от задач
Вес Очень высокий От среднего до высокого От низкого до среднего Средний Очень низкий
Цена Очень низкая От средней до высокой От очень низкой до высокой От высокой до очень высокой От средней до очень высокой
Область применения рам Самые дешевые велосипеды Туризм, городские велосипеды, экстремальные виды спорта Все категории велосипедов Туризм и покатушки, изготавливаются в том числе по индивидуальным заказам Шоссейные гонки и кросс-кантри
Область применения жестких вилок Вилки самых дешевых велосипедов Туризм, городские велосипеды, экстремальные виды спорта Самые дешевые дорожные вилки Туризм и покатушки (обычно выпускаются по индивидуальным заказам) Шоссейные и MTB вилки, начиная от среднего уровня
Область применения «палок» В велосипедах уровнем до ниже среднего включительно Экстремальные виды спорта, грузовой туризм В велосипедах уровнем до выше среднего включительно Редкие компоненты высокого уровня для «эстетов» Гоночные компоненты высокого уровня
Область применения багажников Советские велосипеды Дорогие модели для грузового велотуризма Дешевые массовые багажники Дорогие, изготавливается в том числе по индивидуальным заказам Нет

[править] Примечания

  1. ^ См. видео "Карбон vs. молоток"
Источник — «http://velowiki.org/index.php?title=Углепластик&oldid=3769»