Изготавливают углеродное волокно, главным образом, из следующих органических материалов (так называемых прекурсов).
Целлюлоза (вискоза). Углеродное волокно, полученное из целлюлозы или вискозы, стоит дешево, но его структура далека от идеальной, а потому по своим качествам оно уступает другим разновидностям углеволокна. Так, его прочность и упругость сравнительно невысоки. То же касается его электрической и тепловой проводимости. Зато данный материал хорош для изготовления нитей накаливания, поскольку его электрическое сопротивление, наоборот, велико. Вообще же углеродное волокно, полученное из целлюлозы, обычно используют в качестве изоляционного материала, работающего при высокой температуре.
Эта лопасть судового винта выполнена из углеродного волокна
Полиакрилонитрил (ПАН). Большая часть углеродных волокон, применяемых в современной промышленности, изготовлена из полиакрилонитрила. Особенность этого типа волокон — высокая прочность на растяжение, вот только стоимость их тоже высока, что обусловлено стоимостью исходного материала. Впервые подобные волокна были получены на рубеже 1950 — 1960-х годов в СССР, а затем и в Японии.
Пек (смола). Годятся фенольные смолы, каменноугольные и нефтяные пеки, причем какой бы материал мы ни выбрали, он будет заметно дешевле, чем полиакрилонитрил. Однако затраты на его очистку и переработку так высоки, что стоимость полиакрилонитрилового углеродного волокна окажется, в конечном счете, ниже. К тому же углеродные волокна, полученные из пека, характеризуются низкой прочностью на разрыв и изгиб.
Обычно углеродное волокно получают термической обработкой исходных органических волокон. Их нагревают в азотной или аргоновой атмосфере до температуры порядка 800—1500 градусов Цельсия. Подобный процесс называют карбонизацией, ведь после такой обработки в материале остаются в основном атомы углерода. Содержание углерода в готовом волокне составляет 85 процентов и выше. Это приводит к существенному повышению прочности и жесткости материала.
При нагреве свыше 1800 градусов Цельсия происходит графитизация волокна. Его структура становится близка идеальной структуре графита, отличаясь лишь расстоянием между отдельными слоями углерода. Содержание углерода в волокне, прошедшем подобную обработку, достигает почти 99 процентов.
Готовое углеродное волокно — диаметр отдельных волокон равен примерно 5 — 8 микрометрам — выпускают в виде нитей, жгутов, лент, тканых и нетканых материалов. Все они отличаются высокими механическими характеристиками, а потому их используют в качестве упрочняющего наполнителя пластмассы. Связующим веществом в такой пластмассе — ее называют углепластиком — служит обычно эпоксидная, феноло-формальдегидная или полиэфирная смола.
Свойства углепластика можно заранее смоделировать. Любая деталь, изготовленная из этого материала, в какой-то мере уникальна. Важнейшее значение имеет расположение волокон. Ведь углепластик может быть как изотропным, так и анизотропным материалом, и его механические свойства зависят от того, как ориентированы отдельные волокна. У анизотропного материала, например, прочность вдоль волокон очень высока, зато в поперечном направлении мала. Так что конструкторы должны знать, каким нагрузкам будет подвергаться изделие и в каком направлении те будут действовать. А вот у изотропного материала отдельные волокна равномерно распределены во всех направлениях. Поэтому показатели его прочности в любом направлении примерно равны, и показатели эти невысоки. Так что, изотропный углепластик имеет малое промышленное значение.
Из углеволокна изготавливают сопла двигателей и наконечники ракет
Поначалу углеродное волокно применялось прежде всего в авиации и космонавтике, где была особенно высока потребность в материале, который не уступал бы по прочности стали, но был гораздо легче нее. Еще в 1976 году в США приняли программу по использованию углеродного волокна в авиастроении. Так, из него изготавливали отдельные детали самолетов «Боинг-727» и «Боинг-737». Постепенно сфера его применения расширялась, ведь это позволяло снизить вес самолета на 15 — 30 процентов и сократить расход топлива. Сейчас из углепластика выполнена, например, большая часть несущих поверхностей аэробуса А380 и фюзеляж «Боинга- 787». Эти самолеты примерно на 30 — 50 процентов по массе состоят именно из углепластика (для сравнения: в 1982 году в самолете «Боинг- 767» доля углепластика по массе составляла всего 3 процента). А ведь уменьшение веса аэробуса А380 всего на 1 килограмм приводит к экономии трех тонн горючего в год.