Что такое углеродное волокно? Что делает этот «звездный материал» таким хорошим?

Когда речь идет об углеродном волокне, вы, возможно, слышали о нем в новости - ракетные стрелы, корпуса скоростных поездов, дроны, оболочки гоночных автомобилей и даже премиальные бадминтонные ракетки — во всех этих изделиях он присутствует. Звучит как «чёрная технология», полная материалов. Но что же это на самом деле? Сегодня простыми словами расскажем вам о «звезде материального мира».

Углеродное волокно, по сути, «сверхпрочные углеродные нити»

Проще говоря, углеродное волокно — это неорганическое полимерное волокно, содержащее 90 % и более углерода. Оно не является ни металлом, ни пластиком, а представляет собой «кристалл углерода» — чёрную нить, образованную особым способом карбонизации органических волокон (например, полиакрилонитрила или дорожного асфальта) при высоких температурах с удалением примесей.

Внешний вид: диаметром всего 5–10 микрон (примерно 1/10 диаметра волоса), невооружённым глазом выглядит как чёрная хлопковая нить или шерсть, но на ощупь гораздо «жёстче», чем железная проволока.

Характеристики: «Лёгкий, прочный, устойчивый, стабильный».

(1) Прочность в 7–9 раз выше, чем у стали, а ударная вязкость значительно превосходит стекловолокно;
(2) Плотность всего 1,7 г/см³, легче алюминия (плотность алюминия 2,7 г/см³)
(3) Устойчивость к высоким температурам (не плавится при температуре выше 2000 °C), устойчивость к коррозии (не боится кислот и щелочей), непроводящий (при специальной обработке может проводить ток)

Производительность «включено/выключено»: нелепо лёгкий и удивительно твёрдый

Величие углеволокны полностью «подкреплено» тремя ключевыми преимуществами:

（1）Лёгкий как перышко, но прочнее стали：

Плотность составляет всего 1,7–2,0 г/см³ (1/4 от стали, 2/3 от алюминиевого сплава), однако прочность на растяжение достигает 3000–7000 МПа (более чем в 10 раз выше, чем у стали), и верёвка из углеволокна толщиной с палец способна поднять автомобиль весом в несколько тонн

（2）Жёсткость зашкаливает, устойчив как скала:

Модуль упругости (мера жёсткости) достигает 200–600 ГПа, практически не деформируется под нагрузкой; при использовании в качестве опоры для спутника позволяет сохранять точное положение в космосе

（3）Свойства «антивозмущения» полностью раскрыты:

Высокая термостойкость (в инертной среде выдерживает до 2000 °C), устойчивость к кислотам и щелочам (в океане не разрушается десятилетиями), усталостная прочность (при многократных нагрузках не разрушается легко), перед этим материалом любые металлы вынуждены «признавать поражение».

Почему углеродное волокно — это «стратегический материал национального значения»?

Производство углеродного волокна чрезвычайно сложно, и лишь несколько стран в мире способны массово производить высококачественное углеродное волокно (в основном Китай, Япония и США). Оно является не только «краеугольным камнем» высокотехнологичного производства, но и затрагивает ключевые области, такие как аэрокосмическая отрасль и оборонная безопасность.

Например, в военной сфере углеродное волокно используется для изготовления фюзеляжа стелс-истребителей (поглощение волн), корпуса ракет (облегчение для увеличения дальности); в области новых источников энергии, чем длиннее лопасть ветряной турбины, тем выше эффективность генерации энергии, и только углеродное волокно может обеспечить поддержку гигантской лопасти длиной более 100 метров.
В последние годы китайская индустрия углеродных волокон достигла значительного прорыва: от зависимости от импорта до самостоятельного массового производства, а в некоторых областях (например, ветроэнергетика, спортивные товары) — и до доминирующих позиций на глобальном рынке.

Как производят углеродное волокно?

Величие углеволокны полностью «подкреплено» тремя ключевыми преимуществами:

（1）Подготовка первичной нити

Сырьё, такое как полиакрилонитрил (PAN), пек и другие материалы, проходит процесс прядения для получения «сырого шелка» (аналог химического волокна). Этот этап является основой, и качество сырого шелка напрямую определяет характеристики углеродного волокна (на этом этапе Китай долгое время испытывал трудности).

（2）Карбонизация

Сырой шелк постепенно нагревается до температуры 1000–3000 °C в инертном газе (чтобы предотвратить горение), в результате чего удаляются такие элементы, как водород и кислород, остаются только углеродные молекулы. После этого этапа содержание углерода в волокне повышается с 50 % до более чем 90 %, что резко увеличивает его прочность и твёрдость.

（3）Последующая обработка

В зависимости от применение , углеродные волокна сплетаются в ткань, наматываются в трубки или комбинируются с смолами, металлами и т.д. для получения "композитов из углеродного волокна" (например, то, что мы часто называем "углепластиковыми пластинами" и "углепластиковыми трубками").

【Познавательно об углеродном волокне】

В: Почему оно черное?
О: Структура графита поглощает почти весь видимый свет.

В: Боится ли огня?
О: Окисление начинается при 400 °C на воздухе, но капсула использует его как тепловой экран.

Q: Можно ли её перерабатывать?
О: BMW добилась возможности переработки автомобильных деталей из отходов углеродного волокна.