Как делают карбон для суперкаров: чем он так хорош
В 2018 году на шоу винтажных автомобилей Pebble Beach Concours d'Elegance в США показали новый гиперкар Bugatti под орущим для русскоговорящих названием Divo. Эта тачка оказалась самой дорогой в ассортименте известного бренда. Всего выпустят 40 машин по 5 миллионов евро каждая — все они давно раскуплены.Это не принципиально новая модель Bugatti — она построена на базе Chiron. Её внешний вид значительно отличается от прообраза. Гиперкар получил новый обвес, спойлер и другие детали, которые увеличивают его прижимную силу до более чем 450 килограмм — это на 90 килограмм больше, чем у предшественника. У машины такой же двигатель на 8 литров и 16 цилиндров, а максимальная скорость ограничена на отметке 380 километров в час. У Divo прокачанные ходовая и тормозная системы, его позиционируют для использования на треке, но гонять на таких точно будут и за его пределами.
Значимой разницей между Divo и Chiron также стал вес — он уменьшился на 35 килограмм. Это стало возможным за счёт повсеместного использования карбона. Да, настолько большой кусок текста в начале этой статьи нужен был именно для того, чтобы подвести вас к разговору об этом материале.
Карбоном называют композитный материал — углепластик
Карбон — это такое многослойное полотно, которое формируется из волокон углерода, завёрнутых в обёртку из полимерной смолы. Если же говорить о правильном нейминге, то именно карбоном называют углерод, из которого делают карбоновое волокно, также называемое углепластиком. Если же откинуть нудные рассуждения, то карбон = углепластик. Сегодня к числу таких веществ относят абсолютно все полотна, в состав которых входят углеродные волокна, а вот звенья между, которые их связывают, уже могут быть абсолютно разными. Таковы реалии.Карбон — это современный материал. Но кроме уникальных особенностей у него также очень высокая стоимость. Когда за один килограмм стали обычно просят меньше одного доллара, качественный карбон оценивают в двадцать раз больше, и в ближайшее время его цена вряд ли опустится.
Первоначально карбон разрабатывали именно для автомобилей наивысшего класса и космической отрасли. Тем не менее, из-за небольшого веса и высочайшей прочности его используют в современных самолётах, для производства спортивного инвентаря, а также в технологической медицине.
Карбон состоит из отдельных нитей: как их производят
Чтобы сделать карбон, нужна нить из полимеров или органики: полиакрилонитрильная, фенольная, лигниновая, вискозная. Её термическим образом обрабатывают в открытом пространстве при температуре 250 градусов по Цельсию в течение суток. За это время она фактически обугливается.
В процессе нить выглядит примерно так
По окончанию окисления начинается процесс карбонизации. На этом этапе происходит нагревание материала в азоте или аргоне — при этом уже используется температура порядка 800–1500 градусов по Цельсию. В итоге в ходе этого процесса получаются структуры, которые напоминают молекулы графита. После этого происходит насыщение углеродом, что называют графитизацией — оно осуществляется в той же среде, но уже при температуре 1300–3000 градусов. Данный процесс может повторяться несколько раз, чтобы добиться концентрации углерода на уровне 99% — при этом материал постоянно чистят от азота. После этого он достигает необходимой прочности.Немного о том, какими могут получиться полотна карбона
Отдельные нити карбона можно «скручивать» в единое полотно несколькими способами. От того, какой используется, зависит не только рисунок получившегося материала, но и его технические характеристики: прочность, плотность, жёсткость и не только. А вот чтобы получить оптимальные значения по этим показателям, чаще всего используют послойную проклейку разных видов волокон. Именно тогда материал получается максимально практичным и технологичным. Здесь есть свои нюансы, но основных видов волокна четыре. Это полотно, ёлочка, сатин и корзина. Вот, как они выглядят.
Полотно. Этот вид плетения считается наиболее плотным. В данном случае нити карбона переплетаются по очереди один к одному. Главным преимуществом этого типа считается максимальная фиксация фактуры. Тем не менее, за счёт этого оно получается менее пластичным.
Ёлочка. Этот вид плетения называют саржевым. В данном случае используется схема два к двум: две основные нити вплетаются через пару других нитей. Это плетение куда прочнее, чем предыдущее, и считается самым востребованным. Чаще всего используют именно его.
Сатин. Такое плетение — антипод двум предыдущим. Оно считается наименее плотным, но наиболее пластичным. Каждая из основных нитей в данном случае проходит над несколькими дополнительными нитями — именно это даёт ему необходимую рыхлость.
Корзина. Фактура этого волокна считается наиболее привлекательной. Тем не менее, его очень сложно выложить, чтобы не исказить рисунок — с таким умеют работать только настоящие профессионалы. А вот практической пользы у него не так и много.
Чтобы сделать карбон, используют несколько способов
Выше мы рассмотрели, как делают карбоновые нити, а также поговорили о вариантах плетения, которые нужны, чтобы создать из них полотно. Дальше из карбона нужно сделать готовую объёмную деталь для современного автомобиля, велосипеда и так далее. Для этого используют три способа.Прессование
Это чуть ли не самый простой способ создать деталь из карбона. В его рамках полотно выкладывают в специальную форму, а потом пропитывают эпоксидной или полиэфирной смолой. После этого лишнюю пропитку попросту вытесняют чем-то вроде пресса или используют для этого вакуумные машины. Когда смола застывает, получается необходимая деталь. Смола в этом случае должна пройти по дороге полимеризации. Чтобы ускорить этот процесс, можно использовать повышенный температурный режим. На выходе обычно получается полая деталь, которую называют листовым углепластиком.
Детали для кузова суперкара можно делать прессованием или формованием
ФормованиеДля этого способа работы с углеволокном понадобится макет готового изделия, который также называют матрицей. Её обычно делают из алебастра, гипса или монтажной пены. На неё накладывается пропитанное смолой полотно из карбона, а потом оно прокатывается специальными валиками, чтобы убрать весь воздух между материалом и заготовкой — это может происходить как в холодном состоянии, так и в горячем. После этого, как и в предыдущем случае, нужно дождаться, чтобы смола высохла. Затем готовое изделие можно отделять от заготовки и начинать сначала.
Карбоновые выхлопные трубы могут делать с помощью намотки
НамоткаЭтот вариант работы с карбоновым волокном применяется только для создания труб и других аналогичных деталей. В данном случае оно всё так же пропитывается специальной смолой, а потом наматывается на заготовку соответствующей формы. Важно понимать, что и в этом случае, и в двух других, может быть не один слой волокна, а несколько. Как мы уже отмечали выше, если одновременно использовать карбон разного плетения, можно добиться оптимальных показателей по прочности, упругости и пластичности — это очень важно. Плюс ко всему, указанные операции обычно происходят не вручную, а на заводах в промышленных масштабах.
Немного технических особенностей для понимания карбона
Так как карбон делается из нескольких материалов (углеродное полотно в качестве основы и эпоксидная смола для связки), которые отличаются свойствами, он получается достаточно интересным и необычным по своим техническим характеристикам. Именно поэтому его и используют в суперкарах и не только.| Показатели | Плотность (ρ, кг/ м³) | Температурный режим (Тпл, °C) | Предел прочности (σB, МПа) | Упругость (σB/ρ, МПа/кгм-3) |
| Углерод | 1413 | 3700 | 2760 | 157 |
| Стекло E | 2548 | 1316 | 3450 | 136 |
| Стекло S | 2493 | 1650 | 4820 | 194 |
| Графит | 1496 | 3650 | 2760 | 184 |
| Молибден | 166 | 3650 | 1380 | 14 |
| Полиамид | 1136 | 249 | 827 | 73 |
| Полиэфир | 1385 | 248 | 689 | 49 |
| Сталь | 7811 | 1621 | 4130 | 53 |
| Титан | 4709 | 1668 | 1930 | 41 |
| Вольфрам | 19252 | 3410 | 4270 | 22 |
| Алюминий | 2687 | 660 | 620 | 2300 |
| Асбест | 2493 | 1521 | 1380 | 5500 |
| Бериллий | 1856 | 1284 | 1310 | 7100 |
| Карбид бериллия | 2438 | 2093 | 1030 | 4200 |
У карбона есть не только достоинства, но и недостатки
Карбон отличается сложностью в производстве — сделать его куда труднее, чем стеклопластик или стекловолокно. Именно поэтому он стоит достаточно дорого: тут сказывается и время в работе, и дороговизна необходимого оборудования. На выходе у него есть неоспоримые преимущества и недостатки, про которые нужно помнить.
Тот самый Bugatti Divo, с которого мы начинали этот материал
Преимущества:- этот материал легче алюминия на 20%, стали — на 40%;
- карбон из углерода и кевлара отличается невероятной прочностью;
- он сохраняет прочность и форму приблизительно до 2000 градусов по Цельсию;
- материал отлично гасит вибрации;
- карбон не боится коррозии;
- это прочный и упругий материал;
- его можно использовать в декоративных целях.
- карбон плохо переносит точечные повреждения;
- этот материал практически невозможно реставрировать после повреждений;
- без дополнительного покрытия он может выгорать на солнце;
- карбон вызывает коррозию металла, поэтому его с ним нельзя соединять напрямую;
- такой материал очень сложно утилизировать и использовать повторно.