На карбоновой кухне: Прочность. Заглядывая в будущее: новый строительный материал – углебетон Из чего делают углеволокно

Углеродные волокна (УВ) относятся к переходным формам углерода, структурные элементы которого близки к графиту.

Способ получения волокон из углерода - неплавкого и нерастворимого вещества - подсказан впервые Элисоном и Сваном еше в 1880 г. Им удалось, нагревая органические волокна в определенных условиях, не разрушать их, а превращать в углеродные.

Механические свойства углеродных волокон в значительной степени определяются их структурой, которая, в свою очередь, зависит от условий получения (температуры термообработки, состояния исходного сырья, присутствия легирующих модификаторов, а также наличия дефектов).

Углеродные волокна, относящиеся к классу углеграфитовых материалов, в структурном отношении характеризуются рядом особенностей, отличающих от массивных материалов соответствующего химического состава.

Кроме того, структура и свойства углеродных волокон зависят как от специфической формы материала (волокно), так и от ориентированной структуры исходных полимеров, из которых они получены.

Исследованию взаимосвязи структуры и механических свойств углеродных волокон посвящено значительное количество работ, тем не менее, до сих пор нет достаточно полного представления о характере влияния тех или иных параметров структуры на прочность УВ. Все это свидетельствует о сложности строения УВ и большом числе факторов, влияющих на их прочность.

Основной структурной единицей УВ является слой графита лентообразной формы. Угловое расположение слоев может значительно изменяться при нагреве и вытяжке - ориентация углеродных слоев становится более совершенной при увеличении температуры термообработки и вытяжке. Поры в структуре длинные, тонкие, с предпочтительной ориентацией вдоль оси волокна. Объемная доля микропор увеличивается с повышением температуры и уменьшается при вытяжке УВ. Эта модель изображена на рис. 1. Существуют также и другие модели структуры углеродных волокон.

Рис. 1. Схематичное изображение структуры углеродного волокна .

Разнообразие областей применения углеродных волокон обусловлено широким спектром их характеристик. Углеродным волокнам присущи экстремально высокие значения модуля упругости и прочности, химическая и термическая стойкость, низкий коэффициент линейного термического расширения, специфические трибологические свойства, повышенные (по сравнению с другими волокнами) тепло- и электропроводность и ряд других ценных свойств. Комплекс полезных характеристик углеродных волокон определяется природой исходного материала и разнообразием структурных особенностей.

Важным свойством УВ, определяющим перспективность использования подобных материалов во многих областях, является их высокая химическая стойкость по отношению к различным агрессивным реагентам.

Свойства различных углеродных волокон приведены в табл. 1-4, где γ - плотность; Т субл - температура сублимации; S уд - удельная поверхность; α - температурный коэффициент линейного расширения; ρ - удельное электрическое сопротивление; l - коэффициент теплопроводности; С - удельная теплоемкость.

Таблица 1. Некоторые свойства углеродных волокон.

Углеродное волокно	γ , г/см 3	Т субл,	S уд , м 2 / г	α × 10 -6 , К - 1	ρ × 10 -5 , Ом × м	l , Вт/(м × К)	кДж / (кг × К)
Карбонизо-ванное	1,4-1,8	3873	1-1000	1,5	1-70	0 , 8-1 , 6	0 , 8
Графитиро-ванное	1,8-2,15	3873	0,15-3	-1,5-2,5	0 , 3-1	1,7- 2,0	0 , 6

Таблица 2. Углеродные волокна, выпускаемые ведущими зарубежными фирмами

Фирма	Марка	σ , МПа	ГПа	γ , г/см 3	Сырьё
Геркулес Инкорпорейшн графит Фиберз Бизнес Сентер	Геркулес AS 6 IM 6 НМ	4137 4378 2755	243 278 379	1,83 1,83 1,84	ПАН П AH ПАН
Юнион Карбид Корпорейшн	Торнел Т-300 Т-500 Т-700 Р-75 Р-100	3200 3650 4550 2100 2200	228 241 248 520 724	1,70 1,79 1,81 2,00 2,15	ПАН ПАН ПАН ПЕК ПЕК
Торей Индастриз Инкорпорейшн	Торейка Т300 Т800 Т1000 М40 М50 М60	3500 5700 7200 2800 2500 3900	235 300 300 400 500 600	1,76 1,81 1,82 1,81 1,91 1,94	ПАН ПАН ПАН ПЕК ПЕК ПЕК
Тохо	Бесфайт ST -3 НМ-40 НМ-45 3М-500	4400 2600 2200 4800	240 400 450 300	1,77 1,83 1,90 1,77	ПАН ПАН ПАН ПАН
Ниппон Карбон	Карбалон 3-2000 3-4500	3260 3060		1,77 1,77	ПАН ПАН
Мицубиси Рейэн	Пирофил М-1 Т-1	2600 3400	360 250	1,85 1,80	ПАН ПАН
Селанез Плэитикс энд Спешитиз Компани	Целион GY-70 6К	1900 3690	530 2400	1,90 1,77	ПАН ПАН

Таблица 3. Некоторые виды углеволокнистых материалов, разработанных в России .

Марка	σ , МПа	Е, ГПа	γ , г/смЗ
Теплозащитные
Тесьма
Урал-15	1800	70	1.65
Урал-24	1500	90	1.71
Нить
Урал-Н-15	1800	70	1.65
Урвл-Н-24	1500	90	1.71
Ткань, тканная лента
УУТ-2	130	20
УТМ-8	50	30
Урал-Т	150	30
Лента Урал-Т-24	130	60
Лагта Урал-ТМ-24	300	60
Лента Урал-ТС/4-24	200	60
С дополнительным покрытием		Вид покрытия
Урал-ПУ	160	Пироуглерод, 12%
Урал-ТК	160	Карбил кремния, 7 %
ТМП-3	50	Пироуглерод, 10%
ТКК-2	80	Карбид кремния, 3 %
Конструкционные нити
УКН-5000	3300	230	1.72
УКН-5000П	3400	240	1.73
УКН-П-0,1	3700	230	1.74
УКН-2500П	3400	240	1.73
Конструкционные нити
УКН В-400	4300	240	1.75
ВМН-4	2800	240	1.75
Гранит 300	3000	300	1.80
Гранит 40П-0,1	3700	400	1,82
Кулон-Н	3500	560	1,92
Лента
ЛУП-01	2700	260	1.70
ЛУП-02	2700	260	1.70
Элур-01	2900	235	1.69
Элур-0,08	3000	235	1.70
ЛУП-24	2750	330	1.80
Кулон	2750	420	1.87

Таблица 4. Углеродные волокна специального назначения S уд , м 2 / г

Электропроводящие УГЛЕН 43 35 - ГРАЛЕН 19 - - ЭВЛОН 43 65 - Поверхностно-
активные АКТИЛЕН - - до 1500 ВАУЛЕН - - 800

Обозначения в таблице:

ρ - удельное электрическое сопротивление; к.и. – кислородный индекс; S уд - удельная поверхность.

Литература:

1. Мелешко А.И., Половников С.П. Углерод, углеродные волокна, углеродные композиты - М.: «САЙНС-ПРЕСС», 2007. - 192 с.

Для тех, кто никогда в жизни не видел ткацкого производства, экскурсия в этот небольшой цех могла бы, наверно, быть интересной и информативной. Для остальных — ничего особенного: шпулярник с большим количеством катушек, ткацкий станок — вот, собственно, и все. С той лишь разницей, что ткут здесь совсем необычные ткани. Из них не будут шить одежду, они не пойдут на палатки или декоративную драпировку. Вскоре этим тканям предстоит утратить гибкость и стать основой легких, порой изящных и обязательно нечеловечески прочных деталей. Ткацкий цех предприятия «Препрег-СКМ», обосновавшегося в одном из корпусов бывшего завода-гиганта АЗЛК, — это, пожалуй, самая середина производственного процесса, в ходе которого создается тот самый знаменитый карбон, или углепластик. Вместо шерстяных или хлопковых нитей к станку тянутся нити углеволокна — они могут быть толще или тоньше, да и ткань выходит с разными узорами плетения. Для чего такое разнообразие?

Чтоб было как в СССР

«Мы делаем ткани различных номиналов, разных плотностей и структур плетения — все в конечном итоге зависит от того, в каких углепластиковых деталях эти ткани будут использоваться, — объясняет «ПМ» Андрей Антонов, руководитель испытательной лаборатории предприятия.- Для использования в высоконагруженных конструкциях, например в авиации или судостроении, большей частью применяются однонаправленные материалы, где волокно в основном расположено в одном направлении. Там есть небольшое количество поперечных нитей (для скрепления всей ленты), но их процент очень невелик, менее 10%. Особенность таких тканей заключается в том, что они реализуют свои прочностные характеристики точно по линии, вдоль которой лежит волокно. Будущая карбоновая деталь будет состоять из десятков, возможно даже сотен слоев ткани. Если мы знаем, по каким направлениям на деталь будет оказываться наибольшее силовое воздействие, мы имеем возможность расположить ткань именно так, чтобы волокна большей части слоев также легли бы вдоль этих векторов. Это открывает широчайшие возможности для моделирования детали, для задания ей уникальных прочностных свойств».

В цеху также ткутся так называемые равнопрочные материалы, где процент нитей в основе и в поперечном направлении примерно одинаков. В виде углепластика эти ткани применяются как для армирования, так и для создания деталей, не испытывающих чрезмерных силовых нагрузок, зато имеющих более эстетичный вид. Речь идет, например, об углепластиковых деталях для тюнинговых автомобилей, протезах или спортивном инвентаре.

В ткацком цеху по стенам расставлено множество картонных коробок, где хранятся катушки с углеволокном. На одном ящике клеймо завода «Аргон» в Балаково, другой приехал из далекого Тайваня, третий родом из Турции. С заводом «Аргон» понятно: наряду с московским «Препрег-СКМ» он входит в созданный всего лишь в 2009 году холдинг «Композит», объединивший под своим управлением несколько предприятий по производству композитных материалов и имеющий своей задачей развитие в стране композитных технологий. Но почему Турция и Тайвань?

«Мы выпускаем разностороннюю продукцию для разных применений, и, к сожалению, на сегодня наша отечественная промышленность пока не обеспечивает все потребности рынка в углеродных материалах. Приходится использовать в том числе и импортное волокно, — говорит Андрей Антонов. — 30 лет назад в СССР активно работали над технологиями производства углепластиков, внедряли их в авиации, атомной промышленности и других отраслях. Были основаны НИИ «Графит», завод «Аргон». В те времена мы ничуть не отставали от зарубежных фирм, но перестройка и постперестроечная эпоха принесли с собой проблемы с финансированием. К счастью, мощности завода «Аргон» сохранились, но по технологиям мы сильно отстали от западных, а особенно — от японских компаний. Теперь в рамках холдинга «Композит» ставится задача наверстать упущенное».

Химическая паутина

Чтобы понять, где в черных нитях прячется тот самый хайтек, секреты которого ведущие производители углеволокна хранят как зеницу ока, мы отправились в соседний цех. Там находится лаборатория с оборудованием для производства ПАН-волокон — полупродуктов для изготовления углеволокна. ПАН — это полиакрилнитрил, полимер, получаемый из нефти путем оргсинтеза. ПАН-волокно используется не только в композитной промышленности — из него делают, например, синтетические ковры. Но далеко не каждый производитель таких волокон способен придать им необходимое качество для последующей переработки в углеволокно. Более того, ведущие компании-производители композитных материалов предпочитают делать ПАН-волокно сами для себя, не демонстрируя потенциальным конкурентам даже образцы. Поэтому здесь, в лаборатории научно-исследовательского центра холдинга «Композит», молодые российские ученые пытаются усовершенствовать имеющиеся технологии производства ПАН-волокон и самостоятельно довести их до уровня мировых стандартов, чтобы затем внедрить на предприятиях холдинга.

«Вскоре здесь появится полноценный НИЦ, в котором мы будем изучать и совершенствовать все этапы технологического процесса — от синтеза полимеров до переработки волокон в углеволокно», — говорит Денис Фокин, инженер-исследователь.

Процесс начинается с приготовления полимерного раствора, в котором присутствует полиакрилнитрил, а в качестве растворителя используется диметилсульфоксид (ДМСО). Вязкий прядильный раствор янтарного цвета отфильтровывается с удалением частиц меньше микрона, обезвоздушивается и с помощью шестеренчатого насоса подается в фильеру- экструдер, или, можно сказать, сито с отверстиями диаметром 60−70 мкм. Тончайшие филаменты, или элементарные волокна, попадают в осадительную ванну, где осаждаются с помощью воды. На приемный ролик подается жгутик, состоящий из тысяч филаментов (их число в жгуте может варьироваться от 12 000 до 64 000). Далее его путь лежит в ванну пластификационной вытяжки. Здесь ПАН-волокно вытягивается, приобретая большую прочность за счет ориентации макромолекул. Следующие производственные этапы— промывка (необходимо избавиться от остатков растворителя, который впоследствии помешает получению качественного углеволокна), обработка текстильно-вспомогательными веществами (замасливатели и антистатики нужны, чтобы нить дополнительно не травмировалась при трении и не накапливался статический заряд), далее волокно может подвергаться дополнительной термовытяжке или термофиксации в потоке горячего воздуха. На каждом этапе производства ПАН-волокна присутствуют свои технологические тонкости, без учета которых невозможно получить продукт, удовлетворяющий всем требованиям, предъявляемым к прекурсору (полупродукту). «В нашей стране развитием данных технологий долгое время уделялось мало внимания, — говорит Денис Фокин. — Так, например, на наших предприятиях используется неорганический растворитель — роданистый натрий, в то время как ведущие компании наряду с роданистым натрием широко применяют органические растворители. В настоящее время в нашей компании активно разрабатываются технологии получения ПАН-волокна с использованием органического растворителя ДМСО (диметилсульфоксид), что в перспективе позволит нам выйти на более высокий технологический уровень».

Жар, алмаз и смола

Не менее важны технологические тонкости и на следующем этапе композитного производства — при создании собственно углеволокна. Смысл этого процесса заключается в том, чтобы после обработки в ПАН-волокнах остался минимум примесей, а количество углерода составляло бы 99%. Производство углеволокна включает три основных этапа, каждый из которых связан с воздействием на волокно высоких температур. Первый этап — окисление (при температуре 250°С), второй — карбонизация, в результате которой при температуре около 1500 градусов в волокне образуются графитоподобные структуры, третий — графитизация (при температуре до 3000 градусов из волокон выводятся почти все оставшиеся примеси). В волокне образуются межатомные связи, приближающиеся к кристаллической структуре алмаза, что придает волокну (по направлению вдоль) невероятную прочность. «Наиболее дорогими видами углеволокна считаются очень прочные тонкие нити, состоящие всего из нескольких тысяч филаментов, — говорит Андрей Антонов. — К тонким нитям больше требований при изготовлении. С толстыми жгутами работать легче, и выход больше, но из-за особенностей технологии эти нити не такие прочные».

Итак, готовые углеволокна оказываются в ткацком цеху, однако между тканью и карбоновой деталью стоит еще один этап — предварительной пропитки, или изготовления «препрега» (от англ. prepreg — pre-impregnated, «предварительно пропитанный»).

Интересно, что препреги могут делаться как на основе тканей, так и на основе отдельных волокон, которые укладываются рядом (возможно, с легким нахлестом). Получается нечто вроде однонаправленной ткани, только без поперечных волокон — материал скрепляет связующее вещество на основе эпоксидных смол. И в случае с тканью, и в случае с отдельными волокнами технология создания препрега примерно одинакова — материал из углеволокна выкладывается на лист бумаги, покрытый связующим веществом. Сверху наносится другой слой связующего, поверх которого укладывается еще один бумажный лист. Этот «сэндвич» прокатывается через обогреваемые каландры (систему валиков), которые, подобно асфальтовому катку, придают материалу нужную толщину и плотность. Бумага затем удаляется.

Препрег — готовое сырье для выкладки детали, которая будет состоять из множества слоев пропитанной смолами ткани и подвергнется запеканию в автоклаве. Однако специфика производства заключается в том, что этот финальный этап выполняется не специализированной компанией, производящей композиты, а самим производителем самолетов, кораблей, автомобилей и т. д. «Именно поэтому компаниям, привыкшим работать с металлами, особенно в авиации, порой бывает очень сложно перейти на композиционные материалы, — говорит Андрей Антонов. — Сейчас мы организовываем инжиниринговый центр, который предназначен именно для того, чтобы повышать уровень образованности инженеров этих компаний, помогать с расчетами и проектированием. Надеемся, что это поможет распространению композитных технологий в России».

Углеродные волокна — это органические материалы, подвергшиеся термическому воздействию при температурах 1000-3000°C и содержащие 92-99,99 % углерода.

Впервые получение и применение углеродных волокон было предложено и запатентовано известным американским изобретателей Томасом Алва Эдисоном в 1880 г. в качестве нитей накаливания в электрических лампах.

Однако в полной мере интерес к углеродным волокнам проявился лишь в конце 1950-х годов.

Они оказались наиболее подходящим армирующим материалам композитов для изготовления ракетных двигателей поскольку обладают высокой термостойкостью, хорошими теплоизоляционными свойствами, коррозионной стойкостью к воздействию газовых и жидких сред, высокими удельными прочностью, сопротивлением усталости и жесткостью.

Свойства углеродных волокон

По сравнению с обычными конструкционными материалами, например, алюминием или сталью, композиты с углеродными волокнами обладают некоторыми весьма полезными свойствами:

Они имеют исключительно высокую термостойкость
— в инертных средах или в вакууме до 3000°С
(температура плавления стали 1500°С )
— на воздухе до 450°С

Удельное электрическое сопротивление можно задать:
— от 0,02 Ом*м*10 -6 (сопротивление меди )
— до 1,0 Ом*м*10 9 (сопротивление полупроводника )

Благодаря своим характеристикам:
— большой активной поверхности до 2500 м 2 /гр (2 гр. имеют площадь футбольного поля! )
— невероятной прочности (3,6 Гн/м 2 ) в 2 раза выше прочности стали (1,8 Гн/м 2 ) и при этом в 4 миллиона раз легче стали (плотность 1,9 г/м 3 ,а плотность стали 7,82 т/м 3 )
— и являющиеся прекрасными сорбентами (1 гр. поглощает до 50 гр. нефтепродуктов ) — углеродные волокона превосходят все известные жаростойкие волокнистые материалы!

Это предопределяет возможность применения углеродных волокон в качестве тепловых экранов и теплоизоляционного материала в высокотемпературной технике.

Применение углеродных волокон

Благодаря высокой химической стойкости углеродные волокона применяют для фильтрации агрессивных сред, очистки газов, изготовления защитных костюмов и др. и использовать их в качестве разнообразных по назначению электронагревательных элементов, для изготовления термопар и др.

Электропроводность углеродных волокон позволяет бороться и с доставляющим немало хлопот статическим электричеством (кстати, далеко не безвредным для здоровья человека): достаточно ввести в материал (ткань, бумагу) всего 0,02—1% углеродного волокна, чтобы электрические заряды полностью «стекали» с этого материала, как после обработки антистатиком.

Углеродные материалы имеют и медицинские области применения: живой организм их не отторгает. Поэтому если скрепить сломанную кость штифтом на основе углепластика, а поврежденное сухожилие заменить легкой и прочной углеродной лентой, то организм не воспримет этот материал как чужеродный.

А углеродные материалы, обладающие высокой адсорбционной активностью, с успехом применяют в виде повязок, тампонов и дренажей при лечении открытых ран и ожогов — в том числе и химических. для очистки крови и других биологических жидкостей, как лекарственное средство при отравлениях (благодаря их высокой способности сорбировать яды), как носители лекарственных и биологически активных веществ.

Углеродные волокна применяют для армирования композиционных, теплозащитных, химостойких в качестве наполнителей в различных видах углепластиков. Из модернезированных углеволокон изготовляют электроды, термопары, экраны, поглощающие электромагнитное излучение, изделия для электро- и радиотехники. На основе углеродных волокон получают жесткие и гибкие электронагреватели , обогреваемую одежду и обувь. Нетканые углеродные материалы служат высокотемпературной изоляцией технологических установок и трубопроводов. Благодаря химической инертности углеволокнистые материалы используют в качестве фильтрующих слоев для очистки агрессивных жидкостей и газов от дисперсных примесей, а также в качестве уплотнителей и сальниковых набивок. УВА и углеволокнистые ионообменники служат для очистки воздуха, а также технологических газов и жидкостей, выделения из последних ценных компонентов, изготовления средств индивидуальной защиты органов дыхания.

В настоящее время углеродные волокна используют для термозащиты космических кораблей, самолетов, ракет, изготовления их носовых частей, деталей двигателей, теплопроводящих устройств, для энергетических установок и производства активированных углеродных волокон (например, в накопителях электроэнергии, аккумуляторах, батареях, устройствах-модулях по очистке газов, где требуются новые, в частности, токопроводящие углеродные волокна-сорбенты).

Углеродные волокона выпускаемые в настоящее время

На основе вискозных нитей и волокон изготавливают:	Нити, ленты, ткани, а также дисперсный порошок из размолотых волокон — Урал ®, УВК ®, Вискум ®
Нетканый материал:	Карбопон ®
Активированные сорбирующие ткани:	Бусофит ®
Активированные сорбирующие нетканые материалы:	Карбопонактив ®
На основе вискозных штапельных волокон:	Волокна и нетканые материалы: карбонизованые — Углен ® и графитированые — Грален ®
На основе ПАН-нитей и жгутов:	Ленты и ткани — ЛУ ®, УКН ®, Кулон ®, Элур ®
Активированные сорбирующие волокна и нетканые материалы:	Актилен ®, Ликрон ®
дисперсный порошок из размолотых волокон:	Ваулен® (для медицинских целей)
На основе ПАН-волокон:	Волокна и нетканые материалы: карбонизованные — Эвлон ® и графитированные — Конкор ®

Выпускают углеродные волокона и за рубежом:

• — в США: Торнел ®, Целион ®, Фортафил ®
• — в Великобритании: Модмор ®, Графил ®
• — в Японии: Торейка ®, Куреха-лон ®

»

Композиты CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer) — современные облегчённые и прочные материалы. Этот вид композитов удачно применим для производства различных продуктов, используемых в повседневной жизни. Полимерный композит карбона – это , выступающего в качестве главного компонента. Следует отметить: символ «Р» аббревиатуры CFRP допускает также расшифровку «пластик», а не только «полимер».

Композиты CFRP, как правило, создаются с применением термореактивных смол:

• полиэфирная смола,
• виниловый эфир.

Несмотря на тот факт, что термопластичные смолы используются в составе композитов CFRP, часто можно встретить несколько иную аббревиатуру, определяющую композит как CFRTP (Carbon Fiber Reinforced Thermoplastic Composites). В принципе, разница несущественная.

Тем не менее, при работе с композитами важно понимать все относимые к ним термины и аббревиатуры. Не менее важно понимать свойства композитов CFRP и все возможности участвующего в них силового компонента, коим является карбон.

Композитные материалы давно не удивляют ни строителей, ни заказчиков. Все знают об их уникальных свойствах, способности намного лучше противостоять агрессивным внешним факторам, чем традиционные материалы. Вместе с тем жизнь не стоит на месте, и каждый год в этой сфере появляются новые разработки.

Об одной из них – углебетоне – стоит рассказать подробно. Об идее его создания, свойствах и перспективах внедрения в строительство.

Углеволокно – материал давно известный и очень востребованный в разных сферах промышленного производства. Но довольно дорогой.

Процесс получения графитовых нитей заключается в многоэтапном нагреве полиакрилонитрильных или вискозных волокон в разных средах до стадии обугливания. В результате чего и появляется материал, состоящий из чистого углерода.

Свойства углеволокна

Толщина углеродной нити всего 5-10 мкм, что тоньше человеческого волоса. Состоит она из выстроенных в кристаллическую решетку цепочек атомов углерода.

• Для производства волокон, нити соединяются в жгуты, в которых их может быть до 50000.
• Какие же свойства материала привлекли к нему внимание и позволили использовать при производстве конструкций, работающих в самых сложных условиях эксплуатации?
• В первую очередь это уникальная прочность на разрыв. Она в четыре раза превышает такой же показатель для лучших марок стали.

Это интересно. Чтобы разорвать стержень из углепластика толщиной 5 мм, потребуется усилие в 2500 кг. Тогда как такой же стержень из чугуна разрушится при 150 кг.

При этом плотность углеволокна в четыре раза ниже, чем у той же стали. Соответственно и весит материал вчетверо меньше.

Где применяется углеволокно

Композитные материалы, в которых в качестве армирующего элемента используется углеволокно, применяются в машино- и самолетостроении, производстве спортивного инвентаря, строительстве.

Нас интересует именно строительство, поэтому остановимся на этой области применения:

• Здесь углеродное волокно является основой для армирующих лент, полотен и даже композитной арматуры для бетонных конструкций.
• Ленты и полотна из графитных нитей представляют собой текстильный материал особого плетения, пропитанный смолами;
• Арматура – это стержни из углеродных волокон, пропитанных затвердевшим полимерным связующим.

Для справки. Чтобы обеспечить надежное сцепление с бетоном, на поверхность стержней наносится песчаное покрытие либо формируются выступающие ребра.

Углеволоконная арматура Армирующий каркас из композитных стержней Углеволоконная армирующая сетка Усиление перекрытий с использованием сетки

Углеткань обладает очень высокой прочностью, поэтому с её помощью усиливают новые конструкции, или возвращают утраченные характеристики старым.

Все это пока имеет мало общего с углебетоном. Но именно особые свойства углеродного волокна и натолкнули немецких ученых на мысль о создании нового материала.

Что такое углебетон

Итак, ученые из дрезденского Института монолитного строительства, решили заменить металлическую арматуру в бетоне углеродистым волокном. Вернее, текстильным материалом, полученным из него путем переплетения с получением особой решетчатой структуры.

В результате они получили материал, буквально по всем параметрам превосходящий все известные сегодня виды бетонов. С намного большей прочностью, и меньшей удельной массой.

Внешне материал мало отличается от традиционного бетона Структура углебетона Строительный блок из углебетона

Несмотря на кажущуюся простоту изобретения, ученые-химики работали над ним несколько десятилетий, добиваясь, чтобы углеволоконный текстиль надежно сцеплялся с бетонной смесью. Для этого его обрабатывают специальным покрытием, состав которого пока держится в тайне изготовителем.

Технологии изготовления изделий из углебетона

На данный момент разработано два способа производства углебетонных изделий:

1. Набор слоев. Технология заключается в послойной укладке текстильного полотна на бетон с последующей заливкой. То есть, на слой смеси укладывается текстиль, заливается тонким слоем бетона, и так поочередно до получения требуемой толщины.
2. Заливка в опалубку. Традиционный способ, при котором в опалубке или форме сначала фиксируется углеволоконная арматура, затем заливается бетонная смесь.

Преимущества материала

При сравнении с железобетоном, углебетон выдает следующие преимущества:

• Он намного легче, что облегчает и ускоряет строительство;
• Углебетон прочнее в несколько раз;
• Он не трескается, а находящаяся внутри арматура не ржавеет, в то время как железобетон со временем начинает разрушаться именно по этой причине.

• Как следствие двух последних пунктов, углебетон гораздо долговечнее и надежнее аналогов с металлическим армированием.

Единственный минус материала – это его высокая стоимость. Однако если учесть, что конструкции из него получаются исключительно прочными, не требующими в течение многих лет ремонта и реконструкции, то этот минус компенсируется долговечностью эксплуатации.

Возможные сферы применения

К настоящему времени, разработчики уже нашли применение для этого уникального материала. В частности, они использовали его для реконструкции старых зданий исторической ценности в двух городах Германии. Без их помощи эти здания пришлось бы снести.

В будущем же планируется использовать углебетон в новом строительстве. Уже проведен эксперимент по возведению четырехметрового павильона из сложных элементов толщиной 4 сантиметра. Из железобетона такое здание построить невозможно, да и нужной прочностью оно отличаться не будет.