Углерод, армированный углеродным волокном [n 1] ( CFRC [4] ), углерод-углерод ( C / C [2] ) или армированный углерод-углерод ( RCC ) - это композитный материал, состоящий из армированного углеродным волокном в матрице графита . Она была разработана для боеголовок на межконтинентальных баллистических ракет , и наиболее широко известен как материал для носового конуса и крыла передних кромок в орбитальном Space Shuttle . Карбоновые тормозные диски и тормозные колодкибыл стандартный компонент тормозной системы в Formula One гоночных автомобилей с 1976 года.
Углерод-углерод хорошо подходит для конструкционных применений при высоких температурах, или там , где тепловой удар сопротивление и / или низкий коэффициент теплового расширения необходимо. Хотя она менее хрупкая, чем многие другие керамические материалы, ей не хватает ударопрочности; Space Shuttle Columbia был разрушен во время входа в атмосферу после того, как одна из его панелей RCC была сломана в результате удара куска пенополиуретановой изоляции, который откололся от внешнего бака космического корабля .
Производство
Материал изготавливается в три этапа: [5]
Сначала материал укладывается в его намеченной окончательной форме с углеродной нитью и / или тканью, окруженной органическим связующим, таким как пластик или смола . Часто к связующей смеси добавляют кокс или какой-либо другой мелкодисперсный углеродный заполнитель .
Во-вторых, слой нагревается, так что при пиролизе связующее превращается в относительно чистый углерод. Связующее при этом теряет объем, вызывая образование пустот; добавление заполнителя уменьшает эту проблему, но не устраняет ее.
В-третьих, пустоты постепенно заполняются путем пропускания углеродообразующего газа, такого как ацетилен, через материал при высокой температуре в течение нескольких дней. Этот длительный процесс термообработки также позволяет углю превращаться в более крупные кристаллы графита и является основной причиной высокой стоимости материала. Производство серых панелей из армированного углерода и углерода (RCC) на передних кромках крыла и носовом конусе космического челнока стоило НАСА 100 000 долларов за квадратный фут, [ требуется пояснение ], хотя большая часть этих затрат была результатом сложной геометрии и затрат на исследования. связанные с панелями. Этот этап также может включать изготовление готового продукта. [5]
C / C - это твердый материал, который может быть изготовлен с высокой устойчивостью к тепловому расширению, перепадам температур и термоциклированию, в зависимости от того, как уложен волокнистый каркас и от качества / плотности матричного наполнителя. [ необходима цитата ]
Механические свойства
Прочность углерод-углерод с однонаправленными армирующими волокнами до 700 МПа. Углерод-углеродные материалы сохраняют свои свойства при температуре выше 2000 ° C. Эта температура может быть превышена с помощью защитных покрытий для предотвращения окисления. [6] Материал имеет плотность 1,6–1,98 г / см 3 . [7]
Похожие продукты
Карбид кремния, армированный углеродным волокном ( C / SiC ), представляет собой разработку чистого углерода-углерода, в котором карбид кремния сочетается с углеродным волокном . Он немного плотнее, чем чистый углерод-углерод, и считается более прочным.
Его можно использовать в тормозных дисках и тормозных колодках высокопроизводительных дорожных автомобилей. Первым автомобилем, который использовал его, был Mercedes-Benz C215 Coupe F1 edition. [8] Он входит в стандартную комплектацию Bugatti Veyron и некоторых современных Bentley , Ferrari , Porsche , Corvette ZR1 , ZO6 и Lamborghinis . Они также предлагаются в качестве «дополнительного обновления» для некоторых высокопроизводительных автомобилей Audi , включая D3 S8 , B7 RS4 , C6 S6 и RS6 , а также R8 . Материал не используется в Формуле 1 из-за его веса.
Углеродные тормоза стали широко доступны для коммерческих самолетов в 1980-х [9] , впервые использовавшиеся на сверхзвуковом транспорте Concorde .
Родственный некерамический углеродный композит, используемый в высокотехнологичных гоночных автомобилях, представляет собой карботановый углерод-титановый композит, используемый в суперкарах Zonda R и Huayra, производимых итальянской автомобильной компанией Pagani .
Сноски
- ^ Различные дефисы «углерод, армированный углеродным волокном», [2] «углерод, армированный углеродным волокном», [3] или «углерод, армированный углеродным волокном»; [4] в то время как «углеродное волокно» также пишется «углеродное волокно».
Рекомендации
- ^ На переднем крае
- ^ a b Кохендорфер, Ричард (2009-09-28) [2001]. Сингх, Мритьюнджай; Джессен, Тодд (ред.). «Композиты с керамической матрицей - из космоса на Землю: переход от прототипа к серийному производству» . Керамическая инженерия и научные труды . Джон Вили и сыновья. 22 (3: 25-я ежегодная конференция по композитам, современной керамике, материалам и конструкциям - A): 11–22: 11. doi : 10.1002 / 9780470294680.ch2 . ISBN 9780470295144. ISSN 0196-6219 . Проверено 7 сентября 2017 года .
- ^ Fritz, W .; Hüttner, W .; Хартвиг, Г. (2012-12-06) [1979]. «Углеродные композиты, армированные углеродным волокном: обработка, свойства при комнатной температуре и поведение при расширении при низких температурах» . В Кларке, AF; Рид, Ричард; Хартвиг, Гюнтер (ред.). Неметаллические материалы и композиты при низких температурах . Криогенные материалы (CRYMS). Springer Science & Business Media. С. 245-266:. 245. DOI : 10.1007 / 978-1-4615-7522-1_16 . ISBN 9781461575221. Проверено 7 сентября 2017 года .
- ^ а б Левандовска-Шумиел, М; Комендер, Дж; Горецкий, А; Ковальский, М. (1997). «Фиксация армированного углеродным волокном углеродного композита, имплантированного в кость». Журнал материаловедения: материалы в медицине . 8 (8): 485–488. DOI : 10,1023 / A: 1018526226382 . ISSN 0957-4530 . PMID 15348714 . S2CID 26258090 .
- ^ а б «Свойства углеродного волокна» (PDF) . Рочестерский технологический институт EDGE (Руководство по инженерному проектированию и окружающей среде) . Май 2004 . Проверено 30 января 2019 года .
- ^ Данные о свойствах материала: углерод – углерод
- ^ ЛАЛИТ М МАНОЧА (24 апреля 2003 г.). «Высококачественные углерод-углеродные композиты» (PDF) . Садхана . 28 (1-2): 349–358. DOI : 10.1007 / BF02717143 . S2CID 123705345 . Проверено 28 июня 2014 .
- ^ 2000 Мерседес-Бенц CL55 AMG F1
- ^ Boeing: Эксплуатационные преимущества углеродных тормозов
Внешние ссылки
- Карбоновые тормоза для Concorde