Дешевые углеродное волокно - стекловолокно композитные ткани

Когда слышишь про ?дешевые углеродное волокно - стекловолокно композитные ткани?, первое, что приходит в голову – это либо низкосортный китайский материал, либо какая-то уловка продавцов. Но на деле все сложнее. Часто под этой фразой скрываются гибридные ткани, где углеродная нить действительно присутствует, но в смеси со стекловолокном, причем пропорции могут быть… скажем так, оптимистичными. Многие сразу ждут свойств чистого карбона, а получают нечто с совсем другими механическими характеристиками. Сам не раз на этом обжигался, когда только начинал работать с композитами для нестандартных конструкций.

Что на самом деле значит ?дешевый? в этом сегменте?

Здесь нужно четко разделять: низкая цена может быть обусловлена разными факторами. Не всегда это откровенный брак. Иногда это использование углеродное волокно более низкого модуля упругости, например, T300 вместо T700. Но чаще – именно гибридизация. Добавление стекловолокно снижает стоимость квадратного метра ткани радикально. Вопрос в том, насколько это критично для конечного изделия. Для ненагруженных декоративных панелей – может, и нет. А вот для чего-то, что должно работать на изгиб или кручение, уже нужно считать.

Помню один заказ на изготовление защитных кожухов для оборудования. Клиенту был важен ?эффект карбона? внешне, но не нагрузки. Купили как раз такую дешевую гибридную ткань. Внешне – отлично, блестит, фактура. Но когда начали вакуумную инфузию, возникли проблемы с пропиткой – стекловолокно и углеродное волокно по-разному смачивались смолой. Получились локальные непропиты. Пришлось менять технологию на ручное ламинирование с более жидкой смолой. Вывод: дешевизна материала часто перекладывает затраты на этап производства.

Еще один момент – происхождение сырья. Много тканей такого плана идет из Азии. И там может быть своя специфика по sizing’у (замасливателю). Если он не совместим с твоей стандартной эпоксидкой, адгезия будет слабой. Приходится либо искать совместимые смолы, либо рисковать прочностью. Это та самая скрытая стоимость, о которой не пишут в рекламе.

Стекловолокно как стабилизатор стоимости и проблем

Стекловолокно в таких композитах – это и есть главный ?бюджетный? компонент. Оно дешевле, но увеличивает вес и, что важно, меняет поведение при ударе. Углеродное волокно хрупкое, а стекловолокно более пластичное. В гибриде это может дать интересный эффект, но его нужно предсказать. На испытаниях одного образца для малого судостроения гибридная ткань показала хорошую усталостную прочность, но при резком ударном контакте (имитация столкновения с плавучим предметом) расслоение шло именно по границе волокон. Недостаточная адгезия между разнородными нитями в ткани – бич таких материалов.

Плотность плетения тоже ключевой фактор. Дешевые ткани часто имеют простое полотняное переплетение, которое может ?ездить? при раскрое. Для сложных криволинейных поверхностей это мучение. Приходится использовать больше фиксирующих составов или подбирать ткань с другим weave, что опять сводит экономию на нет.

Интересный кейс был связан с фильтрацией. Не напрямую, конечно, но мы рассматривали использование обрезков такой гибридной ткани как армирующего наполнителя в некоторых составах. И тут всплыла тема адсорбции. Углеродное волокно, даже в составе ткани, обладает определенной сорбционной способностью. Это навело на мысли о смежных отраслях. Вот, например, компания ООО Шэньму Тянье Экологические Технологии (их сайт - https://www.tianye-environmental-protection-technology.ru), которая специализируется на производстве активированного угля – дробленого и крупной фракции. Их продукт – это высокопористый сорбент для очистки. А углеродные волокна в тканях – это, по сути, другая форма того же углерода, с иной структурой пор. Мысли вслух: теоретически, отходы или низкосортные гибридные ткани после пиролиза могли бы стать сырьем для производства сорбентов? Это вопрос к технологам, вроде тех, что в ООО Шэньму Тянье Экологические Технологии. Их профиль – активированный уголь из каменного угля, но в промышленности сейчас ищут альтернативные источники сырья. Возможно, это нишевое направление для утилизации.

Практические грабли при работе с гибридами

Пыль. При раскрое и шлифовке гибридной ткани пыль – это смесь углеродных и стеклянных микрочастиц. Она ужасно колется и проводит ток. Организация рабочего места должна быть на уровне, с хорошей вытяжкой. Многие мелкие цеха этим пренебрегают, экономя на безопасности, а потом люди жалуются на раздражение кожи и проблемы с дыханием.

Хранение. Казалось бы, мелочь. Но если ткань поставляется без должной герметичной упаковки (а дешевые материалы часто экономят и на этом), стекловолокно может впитывать влагу из воздуха. Это потом вылезает пузырями при инфузии или в автоклаве. Проверяй влажность перед работой – обязательный пункт, который многие пропускают.

Контроль качества. Самый простой способ – выжечь образец. Смола сгорает, остается ?скелет? из волокон. Визуально можно оценить распределение углеродных (черные, хрупкие) и стеклянных (белые, гибкие) нитей. Если углеродные сконцентрированы только в одном направлении (обычно в основе), а уток – полностью стекло, то это уже не совсем тот гибрид, на который рассчитывал. Такое встречается сплошь и рядом.

Когда их все-таки можно и нужно использовать?

Есть несколько ниш, где дешевые углеродное волокно - стекловолокно композитные ткани находят оправданное применение. Во-первых, это мастер-модели и оснастка (tooling). Для изготовления самой оснастки, которая должна быть жесткой, но не обязательно сверхлегкой, гибрид отлично подходит. Он дешевле, чем чистый карбон для оснастки, и стабильнее в размерах, чем чистое стекловолокно.

Во-вторых, это внутренние, силовые, но ненагруженные элементы. Например, ребра жесткости внутри корпуса беспилотника или перегородки в корпусе оборудования. Там, где важна форма и некий запас прочности, но не предельные характеристики.

В-третьих, ремонтные работы. Часто для локального ремонта карбоновой детали используют заплатки из гибридной ткани. Это дешевле, а при правильном послойном внедрении в конструкцию не создает критических точек напряжения. Главное – тщательно заматировать поверхность стыка.

Взгляд в сторону сырья и экологии

Работая с углеродным волокном, даже в гибридах, все чаще задумываешься об утилизации. Это не ПЭТ-бутылка, ее просто так не переработаешь. Стекловолокно тоже проблема. Поэтому тема вторичного использования или хотя бы менее вредной утилизации становится все актуальнее. Вот и возвращаемся к мысли о компаниях, работающих с углеродными материалами в другом ключе.

Та же ООО Шэньму Тянье Экологические Технологии работает с активированным углем – продуктом глубокой переработки углеродного сырья. Их технологии направлены на создание сорбентов для очистки. Возникает профессиональное любопытство: а есть ли исследования по использованию измельченных отходов карбоновых или гибридных тканей в качестве прекурсора для активированных углей? Возможно, пористая структура волокна могла бы дать интересную морфологию конечного сорбента. Это, конечно, требует отдельного техно-экономического обоснования, но как направление для сокращения отходов композитной индустрии – выглядит потенциально.

В итоге, разговор о дешевых гибридных тканях – это всегда разговор о компромиссе. Компромиссе между стоимостью материала и стоимостью его обработки, между ожидаемыми и реальными свойствами, между сиюминутной выгодой и проблемами утилизации. Выбирая такой материал, нужно очень четко понимать, для чего он, и заранее протестировать его в своих производственных условиях. Слепая экономия часто приводит к переделкам. А опыт как раз и заключается в том, чтобы предвидеть эти грабли, глядя на рулон этой блестящей, но такой обманчивой ткани.