Современные материалы в строительстве — углепластик

Карбоновые изделия имеют высокое соотношение прочности и жесткости к весу, повышенную теплопроводность и размерную стабильность. Они универсальны, поэтому применение углепластика в строительстве, аэрокосмической, машиностроительной, художественной, инженерной и иных областях распространяется.

Углепластик — что это за материал?

Углеродный пластик, или карбон — это современный композитный материал из волокон углерода, которые склеены полимерами. Углеродные волокна имеют диаметр 6-12 мкм и фибриллярную аморфно-кристаллическую структуру. Они распределены в полимерной матрице, которая перераспределяет механические усилия между отдельными углеволокнами, защищает их от внешних воздействий и формирует монолитность материала. 

Матрицы углепластика являются реактопластами — системами, которые отверждаются при введении отвердителей. При формовании изделий отверждение происходит с образованием сетки химических связей, упорядочиванием структуры реактопластов и одновременным сближением молекулярных фрагментов сетчатой структуры вследствие образования химических связей. После затвердевания композиты являются трехмерными полимерными системами.

В роли связующих используются термореактивные эпоксидные смолы, способствующие максимально полному проявлению физико-механических свойств углеволокон. Они обеспечивают:

• повышенную адгезию между наполнителем и связующим;
• хорошую смачиваемость волокон матрицей;
• сохранение параметров упрочнителя при влиянии связующего;
• ослабление внутренних напряжений под воздействием компонентов связующего.

Уникальные свойства и характеристики углепластика

Физические параметры углепластика зависят от энергетических характеристик его структуры. К примеру, сегменты соседних макромолекул могут перемещаться друг относительно друга без разрушения молекулярных цепей, что определяет деформативность вещества.

Предельные механические показатели и термостойкость углеволокон рассчитываются с учетом силы и силовых коэффициентов межатомных связей. Следующие характеристики определяют применение углепластика в строительстве и других сферах:

• прочность — 1450-1600 кг/мм³;
• плотность — 1,7-1,9 г/см³;
• прочность при растяжении — 2500-5000 МПа;
• модуль Юнга — 120-130 ГПа;
• модуль упругости на растяжение — 200-600 ГПа;
• разрывное усилие — не менее 367 кгс/мм2;
• удлинение при разрыве — 0,7-2,1%;
• теплостойкость — до +1600-2000°С в бескислородной среде;
• устойчивость к агрессивным химическим средам, влаге и ультрафиолетовому излучению;
• размерная стабильность и простота обработки.

Как производится углепластик?

Армирующим наполнителем углепластика являются высокопрочные углеволокна, которые получаются путем температурного преобразования полиакрилонитрильных нитей. Микроструктура полиакрилонитрила отличается большой пористостью и цикличностью, которая при формировании углеродного волокна создает большую внутреннюю поверхность, достигающую 400 м2/г. Это определяет высокие удельные механические параметры будущего материала, которые обуславливают применение углепластика в строительстве и других областях со значительной нагрузкой.

Для получения упрочнителя используются волокна полиакрилонитрила, чаще всего получаемые мокрым методом формования. На стадии предварительной подготовки полиакрилонитрил подвергается термоокислительной дегидратации и циклизации путем термического преобразования на воздухе при температуре +250-300°С. Температурно-временные условия подбираются так, чтобы увеличивающаяся температура размягчения материала поддерживалась выше температуры процесса. Это позволяет сохранять форму и ориентированное надмолекулярное строение волокна до его полного превращения в структурированный неплавкий материал.

Следующий этап — термическая обработка при +800-1450°С. Нагревание способствует завершению термического распада неорганических веществ, который сопровождается удалением остаточного водорода и гетероатомов. В результате получаются насыщенные углеродом полиакриловых волокна. Они нагреваются в азотной среде и насыщаются углеродом для повышения прочностных показателей.

Из готовых нитей плетется полотно разного рисунка. Листы углеткани послойно накладываются друг на друга, покрываются жертвенной тканью и направляющей сеткой. Многослойная конструкция помещается в герметичный пакет, подсоединенный к вакуумному насосу, которым удаляется воздух из пакета. Через трубку вводится эпоксидная смола, и заготовка помещается в сушильный шкаф, где при температуре +1500°С проводится полимеризация и получается готовое углепластиковое изделие.

Где применяются углепластики?

Углепластик разрабатывался как материал для авиационной и космической техники, однако механизация и автоматизация производственных процессов позволили использовать его в других отраслях. В настоящее время около 40% объема производства углепластика в мире приходится на космонавтику, авиацию и выпуск военной техники. Применение углепластика в строительстве составляет порядка 12%, в производстве спортивного инвентаря — 17%, автомобилестроении — 5%. Углеродный пластик используется в машино- и судостроении, электронике, выпуске производственных товаров и других сферах.

Усиление сооружений

Применение углепластика в строительстве для укрепления конструкций и сооружений широко распространяется, поскольку углепластиковая арматура отличается высокой прочностью и жесткостью, легкостью и инертностью к агрессивным средам. Замена стальной арматуры сеткой из углепластика снижает вес стеновых панелей на 75% и повышает прочностные показатели объекта более чем на 100%.

Усиление конструкций углеволокном проводится для железобетонных, каменных, кирпичных и деревянных поверхностей. Оно позволяет снизить общие расходы на строительные работы и эксплуатацию объектов.