История углеволокна и способы его применения

До недавнего времени углерод в основном ассоциировался с химический элементом четырнадцатой группы второго периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 6. 
Однако, с развитием технологий, люди оценили исключительные свойства углерода в виде углепластика: легкость, прочность, устойчивость к коррозии и высокую прочность на изгиб. Это привело к настоящему перевороту в восприятии данного материала.
Сегодня карбон (углепластик) стал символом престижа и технологического прогресса. Аксессуары из карбона, такие как часы, ручки, портмоне, стали престижным атрибутом, подчеркивающим статус своего обладателя. Спортивное снаряжение из карбона, от велосипедов до лыж, дает большое преимущество в скорости и маневренности, что привлекает профессиональных спортсменов и любителей экстремальных видов спорта. Использование карбона не ограничивается предметами роскоши. Он нашел широкое применение в самых разных областях: от медицины до космических технологий.

Томас Эдисон в конце 19 века запатентовал углеродное волокно, удивительный материал, получаемый  методом термообработки органических волокон. Изготовление качественного углеродного волокна – это сложный процесс. После ряда процессов, в том числе процесса графитизации количество чистого углерода в волокне может достигать 99%.
Из-за сложной технологии производства, высоких затрат на материалы, оборудование и энергию – карбон остается дорогим продуктом.  Даже имея углеродное волокно под рукой, для изготовления качественных деталей с хорошей характеристикой прочность/вес необходимо специализированное оборудование (такое, как автоклав).

Углеродное волокно великолепно может заменить почти все пластики и металлы. При использовании углепластика вес конструкции может уменьшаться на 15-45%.
Карбон имеет большую стойкость к коррозии и деформациям, из него делают трудоемкие устройства испытывающие интенсивные нагрузки.
Инновационные решения в применении углеродного волокна широко используются при производстве лучших спортивных товаров. Благодаря своим уникальным свойствам углепластик стал материалом для чемпионов. Но какие качества поставили его на первое место среди других материалов для изготовления спортивного инвентаря? В каких сферах применяется углепластик?
В данных сферах все больше отдается предпочтение углеродному волокну для промышленного применения:

  • строение судов (мачты, корпуса)
  • автоиндустрия ( бамперы, пороги, двери, крышки капотов; мотоциклы; в прототипах MotoGP; автомобилях «Формулы 1»; в отделке салонов авто)
  • самолетостроение
  • ракетостроение

Давайте подробнее рассмотрим использование карбона.

Хоккей

Углепластик не так уж давно обрел свою популярность в большом спорте, но теперь считается одним из самых используемых материалов в хоккее. Он используется как профессионалами в сборных, так и любителями. В хоккее огромную роль играет вес клюшки и угол загиба крюка: чем он больше, тем сильнее получается бросок, в то время как вес определяет скорость реакции и удара. Применение композитного материала обеспечивает достаточную прочность, низкий вес инструмента и высокую степень ударопоглощения. Производственный процесс позволяет добавлять компоненты, которые могут изменять свойства клюшки (например, силиконовые накладки, которые увеличивают чувство контроля над шайбой).
В современном процессе моделирования и изготовления продукции для спорта все продумано до мелочей и несет в себе определенный функционал.
Конек – это ботинок, связанный с лезвием с помощью так называемого стакана. Для удобства профессиональных хоккеистов коньки имеют ботинок с монолитной структурой. В основе лежит специальная отформовка из карбона без каких-либо швов и сочленений, похожая на “карбоновый носок”. При использовании таких технологий спортсмен получает дополнительную легкость и защиту от острых лезвий коньков.
Форма хоккеистов подразумевает несколько слоев различных легких, но прочных и эластичных материалов, которые смягчают удары, предотвращают серьезные травмы и поддерживают высокую подвижность игроков. Так же используется специальный углеродный материал, который не ломается даже после контакта с лезвием конька на скорости. В современных хоккейных шлемах используются съемные углепластиковые вставки, которые принимают на себя всю силу удара, защищая голову спортсмена от серьезных повреждений.

 

Лодки
Для гоночной лодки важна лёгкость и эффективность скольжения для достижения высоких результатов. Использование углеволокна для конструкции лодки действительно является оптимальным выбором из-за его низкой массы. Сочетание клееного карбонового корпуса и переборки из углепластика обеспечивает необходимую прочность и жесткость лодки. К тому же, карбоновые модели выпускаемые известными производителями каяков, являются идеальными для эксплуатации на бурной воде.
За час прогулки на байдарках спортсмены делают около 2000 гребков, именно поэтому гребцы предпочитают вёсла из карбона. При использовании данного материала снижается вес, повышается прочность весел.  Плюсом, такие весла можно использовать в разном климате.

Легкость играет важную роль и в хождении под парусом. Когда судно движется по ветру, низкий вес помогает ему выходить на нужный курс и управляться более эффективно. Это особенно важно для небольших судов и яхт, которые должны маневрировать в узких водах. Подвижность также обеспечивает безопасность на воде, поскольку судно может мгновенно среагировать на изменения ветра и поменять направление.

Мачта из углеволокна – это отличный пример использования современных технологий в кораблестроении. Она может быть вдвое легче, чем аналогичная мачта из дерева или алюминия, что позволяет судну поднять маневренность. К тому же, такая мачта может без проблем удерживать более габаритный парус, что обеспечивает увеличение скорости и эффективности судна.

Процесс производства мачты зависит от размера и ряда других параметров. Это может быть как выкладка материала на дорне, выкладка по форме, так и филаментная намотка

 Велосипеды

Велосипедисты мирового уровня предпочитают углеродное волокно. Эти тонкие волокна обладают прочностью, превышающей стальные аналоги в три раза, и их вес в четыре раза меньше. Из карбона изготавливают рамы, шатуны, вилки, подседельные штыри, велосипедные седла и выносы руля. Рама велосипеда, изготовленная из углеродного волокна, обладает безукоризненно ровной поверхностью и отличными аэродинамическими свойствами. Использование карбона способствует высокой прочности конструкции при минимальном весе, что гарантирует выдающиеся показатели велосипеда. Независимо от того, идет ли речь о гоночной модели, фристайл-байке или горном велосипеде, такие характеристики обеспечивают непревзойденную производительность.
 

Лыжи
В производстве горных лыж сегодня невозможно обойтись без углепластика. Почти ни одна крупная лыжная компания не отказывается от карбона в своих премиум-моделях: он используется в полосах, вилках и ребрах конструкции. Углеволокно демонстрирует в 15 раз меньшую эластичность под нагрузкой по сравнению со стекловолокном, что делает такие лыжи более устойчивыми к изменениям формы, как во время активного катания, так и при длительном хранении. В отличие от некоторых моделей из дерева и стеклопластика, они не скручиваются в спираль. Благодаря этим характеристикам углепластиковые лыжи обеспечивают надежность и долговечность, что делает их предпочтительным выбором у спортсменов и любителей данного зимнего спорта. Внедрение карбона в лыжные изделия значительно повышает их эксплуатационные качества, что удовлетворяет потребности рынков и требования пользователей, стремящихся к улучшению своих спортивных результатов.

В XXI веке карбон стал актуальным материалом для создания горнолыжных ботинок. В верхнем слое такой обуви используются вставки из термопластика, армированного нарезанным углеволокном, а также ребра из углепластика. Углеволокно обладает рядом значительных преимуществ, которые особенно ценны для профессиональных атлетов: оно отличается легким весом и термостабильностью. Жесткость углепластика практически не изменяется в зависимости от температуры окружающей среды, что делает такие ботинки эффективными как в теплую, так и в холодную погоду.
 

Луки и стрелы
Эпоха Робина Гуда осталась в прошлом, но любителей традиционного деревянного лука по всему миру немало. В то же время, профессиональные спортсмены предпочитают современные решения. К примеру, лук, изготовленный из углеволокна, в два раза легче, чем его деревянный аналог, а скорость вылета стрелы достигает 105 метров в секунду, при этом эффективная дальность стрельбы составляет 100 метров. Стрелы, выполненные из карбона, обладают меньшим весом и улучшенной аэродинамикой по сравнению с деревянными изделиями.

Эстетика
Кроме выдающихся характеристик важно учитывать эстетическую значимость любого премиального продукта. Карбон привлекает внимание людей благодаря своей красоте, элегантности и роскошному виду.
В определенный момент своей карьеры дизайнер Фабио Форнасьер, на протяжении всей жизни создававший изделия из стекла, стал проявлять интерес к углепластику. В качестве эксперимента он решил попробовать создать новую модель потолочного осветительного прибора, используя этот материал. Созданная люстра отличается достаточно крупным размером, и все же, легче обычной в 10 раз. Кроме того, она ещё и намного прочнее! По мнению самого Форнасьера, такие люстры помимо привычной интеграции в домашний дизайн, отлично впишутся в интерьер роскошных яхт, так как от качки в шторм они не разобьются.
В последние годы наблюдается растущая популярность обручальных колец, изготовленных из карбона, благородных металлов и различных драгоценных камней.
Стильный карбоновый аксессуар на запястье можно носить не только в день свадьбы. Швейцарская марка Ulysse Nardin уже несколько лет обогащает свою коллекцию наручными часами, выполненными из углеродного волокна, как для корпуса, так и для циферблата.