Производство и использование карбона относится к технологиям, которые олицетворяют новое тысячелетие.
Карбон — это композитный материал. Основу его составляют нити из углерода, которые имеют различную прочность. Эти волокна имеют такой же модуль Юнга, как и сталь, но при этом их плотность даже меньше, чем у алюминия (1600 кг/м3). Тем, кто не учился на физтехе, придется сейчас напрячься… Модуль Юнга — это один из модулей упругости, характеризующий способность материала сопротивляться растяжению. Другими словами, нити углерода очень сложно порвать или растянуть. А вот с сопротивлением сжатию все хуже. Для решения этой проблемы придумали сплетать волокна между собой под определенным углом, добавив в них резиновые нити. Потом несколько слоев такой ткани соединяются между собой эпоксидными смолами. Полученный материал называется карбон или углеволокно.
С середины прошлого века многие страны проводили эксперименты с получением карбона. В первую очередь в этом материале были заинтересованы, конечно, военные. В свободную продажу карбон поступил только в 1967 году. Первой фирмой, занявшейся реализацией нового материала, стала британская фирма Morganite Ltd. При этом продажа углеволокна, как стратегического товара, была строго регламентирована.
Достоинства и недостатки
Наиболее важное достоинство углеволокна — это высочайшее отношение прочности к весу. Модуль упругости лучших «сортов» углеволокна может превышать 700 ГПа (а это нагрузка 70 тонн на квадратный миллиметр!), а разрывная нагрузка может достигать 5 ГПа. При этом карбон на 40% легче стали и на 20% легче алюминия.
Среди недостатков карбона: длительное время изготовления, высокая стоимость материала и сложность в восстановлении поврежденных деталей. Еще один недостаток: при контакте с металлами в соленой воде углепластик вызывает сильнейшую коррозию, и подобные контакты следует исключать. Именно по этой причине карбон так долго не мог войти в мир водного спорта (недавно этот недостаток научились обходить).
Другое важное свойство карбона — низкая способность к деформации и небольшая упругость. При нагрузке карбон разрушается без пластической деформации. Это означает, что карбоновый монокок будет защищать гонщика от сильнейших ударов. Но если не выдержит — то не погнется, а сломается. Причем разлетится на острые куски.
Получение углеволокна.
На сегодняшний день существуют несколько способов получения углеволокна.
Основные:
химическая осадка углерода на филамент (носитель),
выращивание волоконноподобных кристалов в световой дуге,
построение органических волокон в специальном реакторе — автоклаве.
Последний способ получил наибольшее распространение, но и он довольно дорог и может применяться только в промышленных условиях. Сначала нужно получить нити углерода. Для этого берут волокна материала с названием полиакрилонитрил (он же PAN), нагревают их нагреваются до 260°С и окисляют. Полученный полуфабрикат нагревается в инертном газе. Долговременное нагревание при температурах от нескольких десятков до нескольких тысяч градусов Цельсия приводит к процессу так называемого пиролиза — с материала убывают летучие составляющие, частицы волокон образуют новые связи. При этом происходит обугливание материала — «карбонизация» и отторжение неуглеродный соединений. Завершающий этап производства углеволокна включает в себя переплетение волокон в пластины и добавление эпоксидной смолы. В результате получают-ся листы черного углеволокна. Они имеют хорошую упругость и большую нагрузку на разрыв. Чем больше проводит времени материал в автоклаве, и чем больше температура, тем более качественный получается карбон. При изготовлении космического углеволокна температура может достигать 3500 градусов! Самые прочное сорта проходят дополнительно еще несколько ступеней графитирования в инертном газе. Весь этот процесс очень энергоемкий и сложный, потому карбон заметно дороже стеклопластика. Осуществить процесс дома не пытайся, даже если у тебя есть автоклав — в технологии множество хитростей…
Карбон в автомире
Появление карбона не могло не заинтересовать конструкторов гоночных автомобилей. К моменту появления углеволокна на трассах F1, почти все монококи делались из алюминия. Но у алюминия были недостатки, в числе которых его недостаточная прочность при больших нагрузках. Увеличение прочности требовало увеличения размеров монокока, а следовательно и его массы. Углеволокно оказалось великолепно подходящей альтернативой алюминию.
Первым автомобилем, шасси которого было выполнено из углеволокна, стал McLaren МР4. Путь карбона в автоспорте был тернист и заслуживает отдельного рассказа. На сегодняшний день карбоновый монокок имеют абсолютно все болиды Формулы-1, а так же практически все «младшие» формулы, ну и большинство суперкаров, естественно. Напомним, монокок — это несущая часть конструкции болида, к нему крепятся двигатель и коробка, подвеска, детали оперения, сидение гонщика. Одновременно он играет роль капсулы безопасности.
Тюнинг
Когда мы говорим «карбон», то вспоминаем, конечно, капоты тюнинг-каров. Однако сейчас нет кузовной детали, которая не могла бы быть сделана из карбона — не только капо-ты, но и крылья, бампера, двери и крыши… Факт экономии веса очевиден. Средний выигрыш в весе при замене капота на карбоновый составляет 8 кг. Впрочем, для многих глав-ным будет тот факт, что карбоновые детали практически на любой машине выглядят бе-зумно стильно!
Карбон появился и в салоне. На крышках тумблеров из углеволокна много не сэкономишь, но эстетика — вне сомнений. Салонами с элементами карбона не брезгуют ни Ferrari, не Bentley.
Но карбон это не только материал дорогого стайлинга. Например, он прочно прописался в сцеплении автомобилей; причем из углеволокна делают и фрикционные накладки, и сам диск сцепления. Карбоновая «сцепа» имеет высокий коэффициент трения, мало весит, и в три раза сильнее сопротивляются износу, чем обычная «органика».
Другой областью применения карбона стали тормоза. Невероятные характеристики тормозов современной F1 обеспечивают диски из карбона, способные работать при высочай-ших температурах. Они выдерживают до 800 циклов нагрева за гонку. Каждый из них ве-сит менее килограмма, тогда как стальной аналог как минимум в три раза тяжелее. На обычную машину карбоновые тормоза пока не купить, но на суперкарах подобные решения уже попадаются.
Другой часто используемый тюнинг-девайс — прочный и легкий карбоновый карданный вал. А еще недавно прошел слух, что Ferrari F1 собирается установить на свои машины карбоновые коробки передач…
Наконец, карбон обширно применяется в гоночной одежде. Карбоновые шлемы, ботинки с карбоновыми вставками, перчатки, костюмы, защита спины и.т.д. Такой «экип» не только лучше смотрится, но и повышает безопасность и снижает вес (очень важно для шлема). Особой популярностью карбон пользуется у мотоциклистов. Самые продвинутые байкеры одевают себя в карбон с ног до головы, остальные тихо завидуют и копят деньги.
Новая религия
Незаметно и тихо подкралась новая карбоновая эпоха. Карбон стал символом технологий, совершенства и нового времени. Его используют во всех технологичных областях — спорт, медицина, космос, оборонная промышленность. Но углеволокно проникает и в наш быт! Уже можно найти ручки, ножи, одежду, чашки, ноутбуки, даже карбоновые украшения… А знаешь, в чем причина популярности? Все просто: Формула 1 и космические корабли, снайперские винтовки последних образцов, монококи и детали суперкаров — чувствуешь связь? Все это лучшее в своей отрасли, предел возможностей современных технологий. И люди, покупая карбон, покупают частичку недосягаемого для большинства совершенства…
Факты:
* в листе карбона толщиной 1 мм 3-4 слоя углеродных волокон
* в 1971 году британская фирма Hardy Brothers первая в мире представила удилища для ловли рыбы из углеволокна
* сегодня из карбона изготавливают высокопрочные канаты, сети для рыбодобывающих судов, гоночные паруса, двери кабины пилотов самолетов, пуленепробиваемые защитные армейские каски
* для спортивной стрельбы из лука на длинные дистанции спортсмены-профессионалы обычно используются стрелы из алюминия и карбона.
