Углеволокно: характеристики и свойства

Открытый Томасом Эдисоном в 1880 году химический элемент углерод довольно скоро начали активно применять в самых разных сферах деятельности. Строительство — одна из них. Но долгое время никто и вообразить не мог, что когда-то синтезируют сверхпрочный материал для ремонтного и строительного укрепления конструкций зданий. Уж тем более не верилось, что состоять он будет преимущественно из углерода.    

Рождение одной инновации

Однако, ближе к концу двадцатого века, такой материал появился. Он получил название «углеволокно». Изначально, удивительно высокая прочность углеродного волокна в сочетании с большой легкостью и сверхмалой толщиной, определили материалу широкое применение в самолетостроении и создании ракет. Первые же завершившиеся успехом попытки его использования для укрепления мостов сделали вскоре материал незаменимым и в строительстве. В нашей стране он стал широко применяться в этой сфере в течение последнего десятилетия.   

Карбон, как профессионалы еще называют углеродное волокно, нашел применение в судостроении и автомобильной промышленности, ветряной энергетике, на предприятиях военно-промышленного комплекса и даже немного в аэрокосмической отрасли.

Строение углеродного волокна

Какие же необычные характеристики углеволокна сделали его столь ценным материалом? Чтобы прояснить картину, раскроем небольшой секрет, связанный с внутренним строением углеродного волокна. Это полученная искусственно полимерная структура. Ее можно представить себе, как громадную молекулу, вытянутую в сторону в виде тонких нитей атомарного углерода.

Диаметр нитей составляет от 3 до 16 микрон, то есть тысячных долей миллиметра. Однако их структура вполне упорядочена. Ведь атомы объединены в выровнено расположенные в пространстве кристаллические структуры. В этом кроется секрет главного свойства углеродных волокон – очень высокая прочность на растяжение вдоль одного направления. Физик назовет такое свойство линейной упругостью.

Сочетание со связующими материалами

Итак, карбон в несколько раз превосходит металл по этому важному показателю, а также в твердости. Отметим, что термином «углеволокно» обозначается не конечный продукт, а сам исходный материал или сырье. Из него заводским способом производятся различные углепластики. Это составные или композитные материалы, разновидностей которых достаточно много. Именно они и нашли применение в тех сферах деятельности, о которых говорилось выше.         

В зависимости от области применения, для углепластиков подбирается подходящий клеящий состав или связующее вещество. Без него применение углеволокна потеряло бы всякий смысл. В роли таких составов выступают различные синтетические смолы. В строительстве более распространены эпоксидные двухкомпонентные. На рынке сейчас без труда можно приобрести относительно недорогой углепластик российский и зарубежных производителей. Купить клеящие компоненты тоже совсем несложно.  

Связующие вещества обладают очень хорошей способностью сцепляться практически с любыми строительными материалами, из которых выполнено здание. Иными словами, они наделены высокой адгезией. Более того, прочность фиксации углепластика на поверхности усиливает химическая реакция. В результате контакта углеродного волокна и эпоксидного связующего образуется очень жесткий пластик. Он уже обладает почти на порядок большей прочностью, чем та, которой наделена сталь.

Углеволокно: технические характеристики

Прочность на разрыв при низком удельном весе конечных продуктов из углеволокна действительно удивительная. Будучи легче железа на 75%, а алюминия на 30%, углеродные волокна в четыре раза прочнее на разрыв, чем отборные марки стали. Какие еще полезные свойства имеют углеродные волокна?

Расширяется этот композитный материал при нагревании совсем незначительно. Химически карбон совершенно инертен. Во многом такие хорошие физико-химические свойства волокно получило благодаря полиакрилнитриту. Это вещество проходит при изготовлении углеволокна обработку очень высокими, до 5 тысяч градусов Цельсия, температурами.   

Эти качества делают материал пригодным в разных климатических условиях. Он успешно применяется в сейсмически активных зонах. Еще одно важное свойство – длительная эксплуатация, достигающая 75 лет и выше. Помимо уже перечисленных преимуществ, углеродные волокна делают такими следующие характеристики:

• отсутствие реакций с водой, которое вызвано глянцевой поверхностью продукции из углеволокна и обеспечивает отличную гидроизоляцию;
• высокая стойкость к коррозии;
• полное отсутствие токсичности, экологическая чистота материала;
• его огнеупорность, а также устойчивость к механическим воздействиям, ударам.

Прибавьте к этим возможностям то, что углепластиками можно придавать жесткость практически любым материалам! Есть у композита некоторые недостатки, которые вовсе не мешают ему широко использоваться, например, в строительстве. Конечная продукция из углеволокна дороже традиционных аналогов. Его поверхность хорошо отражает электромагнитные волны.  Процесс производства углеродных лент, ламелей, строительных сеток более сложный, чем металла.

При этом свойства углеродных материалов просто уникальны. С их помощью было отстроено, укреплено, отреставрировано множество объектов, расположенных в Москве, Московской области, многих других населенных пунктах России.