|
Погода СПб |
|
|
|
Всё о карбоне. Эпоха карбона. |
|
|
Выписка из энциклопедии: «…новые группы животных начинают завоевывать сушу, но их отрыв от водной среды не был еще окончательным. К концу карбона (350-285 млн. лет назад)относится появление первых пресмыкающихся - полностью наземных представителей позвоночных…»
Спустя примерно 300 миллионов лет карбон снова вернулся на Землю. Без паники, речь идёт не о глобальном изменении климата и возрождении динозавров, а о новых технологиях, которые олицетворяют новое тысячелетие.
  Карбон - это композитный материал. Основу 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 алюминия (1600 кг/м3). Если тебе неохота искать старый конспект по сопромату( или ты его ещё даже не начинал писать), напомним, что модуль Юнга – это один из модулей упругости, характеризующий способность материала сопротивляться растяжению. Всё бы хорошо, но кроме растяжения материал должен выдерживать ещё и сжатие, а вот с этим нити углерода похвастаться уже не могут.
Что бы решить эту проблему придумали сплетать эти волокна между собой под определённым углом, заодно добавив в них резиновые нити. Резина, естественно, не из убитых после дрифт покатушек покрышек. В зависимости от требуемых характеристик, нити в каждом слое ориентируются под определённым углом. Потом несколько слоёв полученного материала соединяются между собой эпоксидными смолами. Именно из-за этих смол прочностные характеристики материала несколько снижаются. Полученный материал называется углеволокно или карбон.
С середины прошлого века очень многие страны проводили эксперименты с получением карбона, но наибольших успехов добились, что неудивительно, японцы. В получении подобного материала в первую очередь были заинтересованы военные, а в свободную продажу карбон поступил только в 1967 году. Первой фирмой, занявшейся реализацией нового материала, стала британская фирма Morganite Ltd.. При этом продажа углеволокна была строго регламентирована, из-за использования его в оборонной промышленности.
Достоинства и недостатки.
Среди достоинств карбона можно выделить низкую способность к деформации и, следовательно, небольшую упругость. При нагрузке карбон разрушается без пластической деформации. Это свойство особенно помогает при проектировании ответственных или подверженных ударным нагрузкам деталям, например монокок гоночного автомобиля.
Но наиболее важными достоинствами углеволокна, благодаря которым он прочно обосновался в автоспорте и тюнинге, заключается в его высоком отношении прочности к весу по сравнению с другими материалами, например металлом или стекловолокном. Так, 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% алюминия.
Среди недостатков карбона: длительное время изготовления, высокая стоимость материала и сложность в восстановлении повреждённых деталей. Ещё один недостаток особенно актуальный в России - 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, но благодаря особой технологии обработки этот недостаток обошли и теперь углеволокно царствует и в море.
Получение углеволокна.
Может показаться, что получение углеволокна – это довольно простое занятие, сходное с изготовлением, например, стеклоткани, из которой можно даже в гараже вылепить себе бампер. С карбоном всё гораздо сложнее, но что бы понять почему, нужно немного углубиться в теорию химических процессов. Предупреждаем сразу, занятие не для слабонервных.
На сегодняшний день существуют несколько способов получения углеволокна, к основным можно причислить:
химическая осадка углерода на филамент (носитель, на который будет ложиться нити углерода);
выращивание волоконноподобных кристалов (графит) 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 нужно взять уже существующую углеродную цепочку или какое-то искусственное волокно, которое в процессе обработки преобразуется в углерод. После нескольких лет поисков оказалось, что лучшие результаты показали материалы( Осторожно! Можно сломать язык!) : волокна полиакрилонитриловые ( PAN). Как только этот полимер получен, приступают к производству углеволокна.
(Блин, ну не знаю я, как это проще сказать! Упрощено до максимума!) Первый этап производства заключается в вытягивании полимера так, чтобы он был, грубо говоря, параллелен оси волокна. PAN-волокна нагреваются на воздухе до 260° С, оксидируются(окисляются) и молекулярные соединения стабилизируются. Полученный материал 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 получаются листы черного углеволокна. Они имеют хорошую упругость и большую нагрузку на разрыв. Чем больше проводит времени материал в автоклаве, и чем больше температура (при изготовлении высококачественного углеволокна температура может достигать 3500 градусов!) тем более качественный получается карбон. Самое прочное углеволокно, проходит дополнительно ещё несколько ступеней графитирования в инертном газе. Процесс это очень энергоёмкий и сложный, поэтому карбон на много дороже стекловолокна.
Карбон в автомире.
Появление такого материала, как карбон, не могло не заинтересовать конструкторов гоночных автомобилей. В первую очередь это касается конструкции шасси, которое должно быть одновременно лёгким и обладать высокой жесткостью. Неудивительно, что монокок прочно обосновался в автоспорте ещё в те времена, когда большинство сегодняшних тюнеров не было даже в проекте, во всяком случае в лушем случае они сидели за партами начальной школы.
В начале шестидесятых Колин Чепмэн, основатель и руководитель легендарной команды Lotus, первым предложил использование монокока в конструкции болида Формулы-1. Монокок – это конструкция, с небольшим весом, к которой крепятся все остальные узлы машины. Вместе с включением двигателя в силовую структуру болида это давало поразительные результаты по жесткости конструкции. А это, как известно, благоприятным образом сказалось на управляемости болида. Помимо пилота внутри монокока располагается и 120-литровый бензобак. Именно поэтому его поведение так меняется при опустошении баков.
Вокруг монокока собирается весь автомобиль: сзади к нему крепится двигатель, к двигателю – коробка передач, к ней в свою очередь – рычаги задней подвески. На сверхжесткую переднюю, часть опирается передняя подвеска и носовой обтекатель с выполненным заодно с ним передним антикрылом. Монокок должен быть на столько жестким, чтобы он смог обеспечить выживание гонщика при самой тяжелой аварии, т.е. выполнять функции «капсулы безопасности».
До начала восьмидесятых основным материалом для изготовления монокока оставался алюминий. Но у алюминия были и недостатки, в числе которых его недостаточная прочность при больших нагрузках. Увеличение прочности требовало увеличения размеров монокока, а следовательно и его массы. Углеволокно оказалось наиболее подходящей альтернативой алюминию.
Первым автомобилем, шасси которого было выполнено из углеволокна, стал McLaren МР4, главным конструктором которого был Джон Бернард. Но Барнард только заложил идею, а непосредственно расчётами и изготовлением занялась американская компания «Hercules Aerospace». Путь карбона в автоспорте был тернист и заслуживает отдельного рассказа, так что в рамки нашей статьи он не вписывается. На сегодняшний день карбоновый монокок имеют абсолютно все болиды Формулы-1, а так же практически все «младшие» формулы, ну и большинство суперкаров, естественно.
Тюнинг.
Именно тюнинг сделал карбон на столько известным. Во-первых, он не стандартно выглядит, во-вторых, мало весит, в-третьих, он очень прочен. В общем, иеальный материал
Эстетика.
Самое широкое распространение карбон получил, как часть кузова. Сейчас наверно не существует детали внешности машины, которая не была бы сделана из карбона - капоты, бампера, спойлера, зеркала, целые обвесы. Факт экономии веса очевиден, в среднем с замены стального капота на карбоновый, выигрыш в весе составляет 8 кг, а если заменить крылья, бампер и.т.д. - эффект будет ещё существенней, но есть одно «НО»… Цена и цена очень большая, так что по соотношению цена/результат, перевес скорее падёт на сторону цены, но опять появляется ещё одно «НО» - внешность… И при покупке карбона внешность играет не последнюю роль, машину в карбоновом обвесе никогда не подвергнут сомнениям, даже скептики.
Естественно карбон появился и в салоне, но здесь это уже только эстетика, врятли можно сэкономить много веса на передненй панели, да и перевес цены увеличивается многократно, но какой эффект! Салон из углеволокна говорит о избранности, им не брезгают даже компании по производству роскошных автомобилей, такие как Bentley…
Железо.
Но на сегоднешний день карбон это не только материал дорого фэйс лифтинга, его усиленно стали применять и в более жестоких целях.
  Карбон прочно прописался в сцеплении автомобилей, причём из углеволокна могут быть выполнены не только фрикционные накладки, но и сам диск сцепления. Известны однодисковые и двухдисковые карбоновые сцепления.
Карбоновый диск сцепления имеет высокий коэффициент трения, что позволяет снизить необходимость высокого прижимного усилия и, соответственно, способствует передаче более высокого крутящего момента. Легкий вес самого диска позволяет снизить момент инерции мотора, тем самым достичь больших оборотов. Кроме того, подобное сцепление в три раза сильнее сопротивляются износу, чем обычное.
Фрикционные карбоновые накладки – это износостойкая, высокопрочная и высокотемпературная альтернатива органическим накладкам. По своим фрикционным качествам, карбоновые наклаладки выдерживают на 10% больше крутящего момента, по сравнению с обычными, без увеличения прижимной силы корзины. Износостойкость превышает обычные органические накладки в 2-4 раза.
Ещё одной областью применения карбона стали тормоза, вернее тормозные диски. Дело в том, что автомобиль Ф-1 способен остановиться со скорости 300 км/ч всего за 4 секунды! При таких торможениях гонщик испытывает горизонтальные перегрузки до 5,2g. Эти невероятные характеристики обеспечивают тормоза с дисками из карбона, способные работать при высочайших температурах. Они выдерживают до 800 циклов нагрева за гонку. Каждый из них весит менее килограмма, тогда как стальной аналог как минимум в три раза тяжелее. Более подробно ты можешь прочитать о карбоновых тормозах в октябрьском номере за прошлый год.
Ещё один часто используемый тюнинг девайс - карбоновый карданный вал, выше прочность, меньше вес, больше крутящего момента на колёсах – всё просто.
Последнее по этой теме: команда Ф1 Ferrari собирается установить на свои машины карбоновые коробки передач, как говорится – no coment, информация к размышлению…
Экипировка.
И последняя область тюнинга и автоспорта, которую серьёзно затрагивает карбон - это экипировка. Карбоновые шлемы, ботинки с карбоновыми вставками, перчатки, костюмы, защита спины и.т.д. Что не мало важно такая одежда не только лучше смотрится, но и повышает уровень безопасность, опять же вес, который играет не последнюю роль, например, для шлема. Особенно популярностью карбон пользуется у мотоциклистов. Самые продвинутые гонщики одевают себя в карбон с ног до головы, остальные тихо завидуют и копят деньги, так как цена опять же не сильно радует.
P.S. Статья называется «Эпоха карбона», и это не имеет никакого отношения к доисторическим временам, но имеет прямое отношение к нашему времени. Незаметно и тихо подкралась новая эпоха карбона. Карбон стал символом, символом технологий, совершенства и нового времени. Его используют во всех технологичных областях – спорт, медицина, космос, оборонная промышленность. Карбон, как лихорадка он охватил всех и вся. На прилавках можно найти ручки, ножи, одежду, чашки, ложки и остальную посуду, ноутбуки, даже карбоновые украшения… А знаешь в чём причина популярности? Всё просто – Формула I, шатлы, снайперские винтовки последних образцов, монококи и детали суперкаров – чувствуешь связь? Всё это лучшее в своей отрасли, предел возможностей современных технологий. И люди, покупая карбон, покупают частичку недосягаемого для большинства совершенства…
- в 1971 году британская фирма Hardy Brothers первая в мире представила удилища для ловли рыбы из углеволокна. Несколько месяцев спустя, появились удилища и у американской фирмы Fenwick.
- Помимо того, что из карбона изготавливают комплектующие для автоспорта и тюнинга, он так же используется в производстве высокопрочных канатов, сетей для рыбодобывающих судов, гоночных парусов, пуленепробиваемого слоя дверей кабины пилотов самолетов, пуленепробиваемых защитных армейских касок.
- Чтобы достигнуть толщины в 1 мм нужно всего уложить 3-4 слоя углеволокна
- В Германии разработан новый военный парашют, который позволит солдатам приземляться в 200 км от места выброса с самолёта. Парашют сделан полностью из карбона и имеет форму крыльев. Парашют также будет защищать солдат от воздействия ветра. При наличии у парашютиста нагрузки в 100 кг он сможет перемещаться на 40 км. Новая система десантирования абсолютно бесшумна и незаметна для радаров.
- Температура карбоновых тормозных дисков достигает при максимальном замедлении болида Ф-1 600 градусов по Цельсию.
- Для спортивной стрельбы из лука на длинные дистанции спортсмены-профессионалы обычно используются стрелы из алюминия и карбона.
Авторы: Евгений Дорожкин, Сергей Саломатов. Опубликовано в жулнале MAXI-TUNING 2007.
|
|
|
Карты TDS и pH воды |
|
|
