Углерод, карбон, кевлар, конструкции будущего.

Слова карбон и кевлар встречаються все чаще. Эти материалы уже давно используются при производстве коклидов для болидов Формулы-1 и кабин самолетов, корпусов и матч катеров и яхт, кузовных элементов, деталей внутренней отделки и даже рессор, пружин и карданов для автомобилей. Карбоновые тормозные диски стали непременным атрибутом гоночных, спортивных автомобилей. Кевларовые ремни и стропы безопасности значительно прочнее обычных. Вокруг этих материалов сложился некий ореол загадочности. Что же это за чудо современной химии?

КАРБОН

Карбон - каменноугольный период палеозойской эры (начало - 360 млн. лет, конец - 286 млн. лет назад). Но нас интересует другой карбон, а именно композитный материал. Он относится к классу углепластиков - материалов, объединяющих в себе несколько тысяч различных рецептур. Все эти материалы роднит одно - наполнителем в них являються углеродные (графитовые) частицы, чешуйки и волокна.
Основу углетканей составляют нити углерода (углерод - это, к примеру, грифель карандаша). Только такие нити довольно тонкие. Сломать ее просто, но порвать ой как нелегко. Из них шьются ткани, где углеродные нити скрепляются паралельно друг другу.
В силу своей конструкции углепластики имеют выраженную анизотропию (разные свойства в разных направлениях), поэтому для получения прочной поверхности углеволокно приходится укладывать в несколько слоев, каждый раз меняя направление нитей. Скрепляются волокна также, как и стеклопластиковые, смолами. Даже процесс выклейки практически идентичен. Только смолы нужны более качественные и дорогие. Для работы с карбоном да и с кевларом простая полиэфирка не совсем подходит. Кроме того , чтобы полностью использовать все преимущества этих материалов, необходимо применять вакуумные технологии, термообработку, задейстовать сложное оборудование, к примеру такое как автоклав. Но игра, как говорится, стоит свеч.
Карбон на 40 % легче стали и на 20 % - алюминия. Углеплатикове детали легче и прочнее стеклопластиковых. С тех пор, как в 1981 г. Джон Барнард впервые использовал карбоновое волокно при создании монокока на McLaren MP4/1, этот материал прочно вошел в современный автоспорт и постепенно подбирается к обычным автомобилям.
Но вот парадокс: автолюбители полюбили автокарбон не за его выдающиеся свойства, а за оргинальный внешний вид. Мода на карбоновые накладки также пошла со спортивных автомобилей, но там они все-таки имели четкое назначение: максимум прочности при минимальном весе.
В карбоне, который идет на строительство мачт и других изделий, где необходима высокая прочность, в структуре ткани явно превалируют углепластиковые волокна. Нити, их скрепляющие, практически не видны. В деталях салона углеволокно уже выглядит как ткань с различными вариациями (плетение типа "рогожа" или 3х3, 1х3 и т.д.) Эти углеткани можно выклеивать в один слой. После застывания и полировки (если необходимо) получается очень симпатичный орнамент. При работе с ним есть один сложный момент: четкий геометрический рисунок материи предполагает более внимательное и тщательное изготовление деталей, так как на горизонтальной поверхности любое искривление сразу будет заметно.
Учитывая, что углеродные волокна черные, а нити могут быть различными, появляется простор для дизайнерской мысли. Но в настоящий момент определение "под карбон" чаще всего характерезирует черно-серую "шахматку". Пленок подобного рисунка появилось уже множество.
Возвращаясь к конструкционному карбону, стоит сказать и о недостатках, а они, к сожалению, есть. Карбон имеет очень маленькое относительное удлинение, т.е. не растягивается. Хрупкость и боязнь точечных ударов делают его в определенной мере "нежным и ранимым". Для того чтобы изделия из карбона работали как надо, необходимо точно рассчитать множество параметров: толщину слоя, направление нитей углеволокна, количество смолы и т.д. При строительстве корпусов болидов Формулы - 1 для этого используются специальные компьютерные программы. Есть еще один любобытный нюанс: если углепластик входит в непосредственный контакт с металлами, к примеру с алюминием, то возникает один побочный эффект. Графит как основной компонет углеволокна и алюминий могут образовывать гальваническую пару, а если речь идет о лодках и соленой морской воде, являющейся очень хорошим электролитом, процесс корродирования металла может проходить очень быстро. По этой причине в таких метах в углепластиковую поверхность вводят нейтальные стеклопластиковые вставки.
Канат, сплетенный из паутины толщиной с карандаш, мог бы удержат на месте Боинг 747. Но при этом плотность паутины в 6 раз меньше, чем у стали , следовательно, меньше и масса. Кевлар стал одним из первых аналогов паутины, но его волокна не полностью повторяют творение природы. Кроме того кевлар получают в среде горячих растворов серной кислоты, а паук - натуральным способом и при обычной температуре. Паук производит большой ассортимент нитей: для ловли, перемещения, сигнализации и др. Поразительные свойства этого природного материала не дают покоя химикам всего мира. Но секрет пока так и не раскрыт, а для производства всего 1 м ткани из паутины требуется "трудоустроить" более 400 пауков.
Марка KEVLAR пренадлежит известной американсой корпорации DuPont. Этот материал был изобретен в 1965 г. учеными компании Стефанией Кволек и Гербертом Блейдсом. Практически одновременно с американцами в России был получен собственный материал СВМ, а в Европе большую популярность завоевал тварон. Выглядят все они практически одинаково, но, поскольку кевлар был первым, это название стало фактически нарицательным и используется многими в качестве термина, охватывающего группу подобных материалов.
Кевлар представляет собой пара-арамидовое (para-aramid) синтетическое волокно. Эти волокна состоят из длинных молекулярных цепей, произведенных из полипарафинилин терафталамида (poly-paraphenylene terephthalamide). Между собой цепи жестко связаны прочными внутренними связями, которые и придают этому материалу столь замечательные свойства.
Кевлар - очень прочный материал, имеет высокую стуртурную твердость и как следствие малую степень растяжимости. Эти свойства способствовали тому, что этот материал стат незаменимым при производстве легких бронежилетов и других средств безопасности, используемых для защиты от огнестрельного или сокочно-разрывного поражения. В современных бронеавтомобилях, наряду с другими средствами, кевлар применяется очень часто.
К достоинствам кевлара можно отнести и следующее: материал обладает очень низкой удельной електропроводностью, высоким химическим сопротивлением, низкой термической усадкой, высоким сопротивлением на разрыв и порезы, сопротивляется огню (имеет способность к самотушению).
Спортивные аксесуары и снаряды, изготовленные из кевлара, не только прочнее, но и легче, что не может не сказываться на результатах. Из него изготавливаются лыжи, шлемы, ракетки, обувь, одежда, лодки, весла, удилища, дома-сферы и т.д. и т.п.
Кевлар является не только прочным, но и красивым материалом. Чистый материал имеет золотистый цвет, близкий к телесному, но выпускается он и иных расцветок. Этот факт существенно расширяет спектр применения кевлара в производстве элементов пространственных конструкций.
В последнее время можно часто встретить гибриды карбон-кевлар. В этих материалах углеволокно переплетено с волокнами кевлара. Такие ткани идут на строительство корпусов лодок, монококов и домов.