Що таке вуглепластик? Що робить цей «матеріал-зірку» таким хорошим?

Коли мова йде про вуглепластик, ви, можливо, чули про нього з новини - ракетні стріли, корпуси швидкісних залізниць, дрони, оболонки гоночних автомобілів і навіть високоякісні ракетки для бадмінтону мають його участь. Це звучить як «чорна технологія», повна матеріалів, але що це таке насправді? Сьогодні найпростішими словами розповімо вам про «зірку матеріалознавства».

Вуглецеве волокно, по суті, «надзвичайно тонке вуглецеве волокно»

Простими словами, вуглецеве волокно — це неорганічне полімерне волокно, що містить 90% або більше вуглецю. Воно не є ні металом, ні пластику, а є «кристалом вуглецю» — чорним волокном, утвореним спеціальним процесом карбонізації органічних волокон (наприклад, поліакрилонітрилу чи пеку) при високих температурах з видаленням домішок.

Внешний вид: має діаметр лише 5-10 мікрон (приблизно 1/10 діаметра волосини), на око нагадує чорну бавовняну нитку або вовну, але на дотик є значно «жорсткішим», ніж залізна дріт.

Характеристики: «Легкий, міцний, стійкий, стабільний».

(1) Міцність у 7-9 разів вища, ніж у сталі, а міцність набагато перевищує скловолокно;
(2) Густина лише 1,7 г/см³, легше за алюміній (густина алюмінію 2,7 г/см³)
(3) стійкість до високих температур (не плавиться при температурі понад 2000 °C), стійкість до корозії (не боїться кислот і лугів), непровідний (після спеціальної обробки може ставати провідним)

Продуктивність «увімкнуто/вимкнуто»: неймовірно легкий і дивовижно міцний

Велич карбонового волокна цілком забезпечена трьома ключовими перевагами:

（1）Легкий, як пір'я, але міцніший за сталь：

Густина лише 1,7–2,0 г/см³ (1/4 від сталі, 2/3 від алюмінієвого сплаву), але межа міцності при розтягуванні може сягати 3000–7000 МПа (понад у 10 разів більше, ніж у сталі), і канат з карбонового волокна товщиною з палець може підняти автомобіль у кілька тонн

（2）Жорсткість на вибух, стабільність, як у скелі:

Модуль пружності (показник жорсткості) досягає 200–600 ГПа, практично не деформується під навантаженням; якщо використовувати його як опору для супутника, можна підтримувати точне положення в космосі

（3）«Антикорозійні» властивості повністю реалізовані:

Висока термічна стійкість (у інертному середовищі витримує до 2000 ℃), стійкість до кислот і лугів (у морській воді десятиліттями не піддається корозії), антифатигність (багаторазове навантаження не призводить до руйнування), перед якою метали змушені «визнати перевагу».

Чому вуглецеве волокно — це «стратегічний матеріал національного значення»?

Виробництво вуглецевого волокна є надзвичайно складним, і лише кілька країн світу здатні масово випускати високоякісне вуглецеве волокно (переважно Китай, Японія та США). Воно є не лише «краєкаменем» у високотехнологічному виробництві, а й має важливе значення для таких галузей, як аерокосмічна промисловість та оборонна безпека.

Наприклад, у військовій сфері вуглецеве волокно використовується для виготовлення фюзеляжу стелс-винищувачів (поглинає хвилі), корпусів ракет (зменшення ваги для збільшення дальності); у галузі нових джерел енергії чим довші лопаті вітрової турбіни, тим вища ефективність виробництва електроенергії, і лише вуглецеве волокно може забезпечити підтримку гігантських лопатей довжиною понад 100 метрів.
Останніми роками галузь вуглепластику в Китаї досягла швидкого прориву: від залежності від імпорту до самостійного масового виробництва, а навіть до домінування на глобальному ринку в окремих сферах (наприклад, вітроенергетика, спортивні товари).

Як виготовляють вуглепластик?

Велич карбонового волокна цілком забезпечена трьома ключовими перевагами:

（1）Підготовка первинних ниток

Сировиною є поліакрилонітрил (PAN), пек та інші матеріали, які шляхом процесу спінювання перетворюються на «сирець» (подібно до хімічного волокна). Цей етап є основою, і якість сирцю безпосередньо визначає властивості вуглепластику (довгий час Китай був «заблокований» саме на цьому етапі).

（2）Карбонізація

Сирець поступово нагрівають до 1000–3000 °C у середовищі інертного газу (щоб запобігти горінню), видаляючи такі елементи, як водень і кисень, залишаючи лише вуглецеві молекули. Після цього етапу вміст вуглецю в волокні зростає з 50 % до понад 90 %, значно підвищуючи міцність і твердість матеріалу.

（3）Подальша обробка

Залежно від застосування , вуглеволокно ткачуть у тканину, намотують у труби або поєднують із смолами, металами тощо для отримання «композитів із вуглецевого волокна» (наприклад, те, що ми часто називаємо «вуглеволоконними дошками» та «вуглеволоконними трубами»).

【Цікаві факти про вуглеволокно】

Питання: Чому воно чорне?
Відповідь: Графітова структура поглинає майже весь видимий світло.

Питання: Боїться вогню?
Відповідь: Окиснення починається при 400 °C на повітрі, але в капсулі його використовують як теплозахисний екран.

Q: Чи її можна переробляти?
Відповідь: BMW зробила можливим переробку автомобільних деталей із брухтового вуглеволокна.