Углеволокно, случайно полученное Томасом Эдисоном еще в позапрошлом веке, лишь относительно недавно пережило свое второе рождение, получив широкое применение в виде углепластика. Он стал востребованным в строительстве многослойным композитным материалом, продукция из которого изготавливается в заводских условиях серийно.

Углепластик: достоинства и недостатки

Углепластик называют еще карбоном. Вообще эти понятия описывают не совсем идентичный круг материалов. Карбон, как термин более широкий, может употребляться в отношении любых композитов, содержащих углерод в качестве несущей основы. Но помимо основного полотна, каждый композит включает еще связующую оболочку. В роли связующего у углепластиков выступают полимерные термореактивные смолы, чаще эпоксидные. В этой статье мы для удобства не будем разграничивать эти термины.

Карбон: состав и свойства материала

На микроскопическом уровне материал имеет структуру вытянутых в одну сторону и крайне тонких атомарных слоев или нитей. Практически это чистый углерод, за счет чего углепластик приобрел характерный черный цвет. Нити можно легко сломать, ну в разорвать углеродные связи довольно сложно. Высокое значение модуля упругости на растяжение сделало его незаменимым в строительной практике.

Углеродное волокно демонстрирует огромную прочность в определенном направлении, но физические свойства карбона таковы, что материалу свойственна сильная анизотропия. Даже сравнительно небольшая нагрузка на изгиб легко его разрушает. Поэтому на текстильных производствах углеродные нити сплетаются в тканевые полотна, у которых может быть различный рисунок.

Послойное создание углеродной ткани из нитей карбона с переменным углом плетения позволяет сделать продукт еще прочнее. Слои укладываются в матрицу из карбоновых смол, которая придает дополнительную прочность их сцеплению.

Секреты востребованности углепластика

Сейчас трудно представить себе строительные работы по восстановлению или усилению конструкций без применения углепластиков. Ведь прочность карбона по сравнению со сталью существенно (более, чем в 4 раза) выше! Нетрудно догадаться, что удельный вес нового материала гораздо меньше. Углепластик примерно на 40% легче стали.

Мы сравниваем со сталью неспроста. До появления инновационного материала многие годы использовалось усиление металлом, главным образом, стальными элементами. Такое армирование было довольно надежно, но работы сопровождали неудобства и сложности. Главная проблема состояла в том, как усиливать, чтобы не утяжелять конструкции, не изменять их геометрические пропорции? Наделенный низкой плотностью и высокой прочностью углепластик стал первым и единственным практическим ответом на этот вопрос.

А если взять гораздо более легкий металл? Что легче, карбон или алюминий? Углепластик и здесь выигрывает, он на 20 процентов легче. Кроме того, продукцию из карбона сделали предпочтительной следующие положительные стороны:

большой предел прочности на разрыв, высокие упругие показатели;
хорошая усталостная прочность;
температурная стойкость с сохранением всех свойств и формы даже при нагревании до 2000 градусов по Цельсию;
хорошая теплоемкость;
высокая электропроводность;
неподверженность коррозии;
химическая инертность;
низкая ползучесть;
радиационная стойкость;
способность эффективно гасить механические вибрации;
внешняя эстетика.

Недостатки углепластика

Если уж о недостатках, отметим, самый, наверное, актуальный из них — высокая стоимость карбоновых материалов. Связующие смолы тоже недешевы. Но постепенно производственные технологии развиваются, и углепластики только дешевеют. Отметим еще некоторые «недочеты»:

материалы подвержены выгоранию и выцветанию, что можно нивелировать, покрыв их эмалью или лаком;
карбоновыми материалами сложно восстанавливать конструкции со сколами и царапинами, а это бывает нужно при реставрации;
углеродные ткани чувствительны к точечным механическим ударам;
чтобы устранить опасность коррозии металла в областях его контакта с карбоном, приходится вести монтаж вставок из стекловолокна;
пока не решен вопрос утилизации и повторного использования углеродных материалов.

Процесс заводского производства углепластиков довольно сложен. Используются многоэтапные технологии, требующие дорогого оборудования, например, печей, автоклавов. Однако, в результате мы получаем уникальный материал. В нем сочетается легкость и удивительная прочность, химическая инертность и отличные проводящие качества.

Углепластики востребованы не только в строительстве. Их возможности заметили гораздо раньше, они используются в аэрокосмической отрасли, автопроме, судостроительной и военной промышленности, ветряной энергетике.