Каковы области применения углерод-углеродных композитов?

Углерод-углеродные (C/C) композиты — это класс высокопроизводительных материалов, представляющих собой вершину инженерных разработок для экстремальных условий. Состоящие из углеродных волокон, встроенных в углеродную матрицу, они известны одной основной особенностью: исключительной способностью сохранять и даже увеличивать свою прочность при экстремально высоких температурах.

Характеристики углерод-углеродного композита

Высокая прочность при относительно небольшом весе: они невероятно прочные и при этом лёгкие.

Отличная термостойкость: сохраняют свои механические свойства при экстремально высоких температурах (до 3000 °C или даже 3315 °C в инертной атмосфере).

Высокая теплопроводность: эффективно рассеивают тепло.

Низкий коэффициент теплового расширения: не подвержены изменению размеров при колебаниях температуры.

Высокая усталостная прочность: выдерживают многократные нагрузки без разрушения.

Биосовместимость: подходят для использования в организме человека.

Химическая инертность: устойчивы к коррозии, вызываемой различными химическими веществами.

Применение углерод-углеродных композитов

Благодаря этим замечательным характеристикам углерод-углеродные композиты находят применение в широком спектре требовательных отраслей промышленности:

1. Аэрокосмическая и оборонная промышленность: Это основная область применения углерод-углеродных композитов.

Высокоэффективные тормозные системы: Широко используются в самолетах (коммерческих и военных, таких как Concorde и Airbus A320) и высокоскоростных транспортных средствах (гоночных автомобилях Формулы-1, суперкарах, таких как Bugatti Veyron, а также многих моделях Bentley, Ferrari, Lamborghini и Porsche). Они обладают превосходной теплоемкостью, уменьшенным весом и увеличенным сроком службы по сравнению со стальными тормозами.

Теплозащитный экран и носовые обтекатели возвращаемых аппаратов: Незаменимы для космических аппаратов (например, носовой обтекатель и передние кромки крыльев орбитального корабля Space Shuttle), ракет и возвращаемых аппаратов, защищая их от экстремальных температур, возникающих при входе в атмосферу.

Сопла ракет и диффузоры двигателей: Способны выдерживать огромные температуры и давление, характерные для ракетного двигателя.

Передние кромки высокопроизводительных аэрокосмических аппаратов: области, подверженные интенсивному нагреву и трению.

Компоненты двигателя: детали турбореактивных двигателей.

Конструкционные элементы самолета: фюзеляж, крылья, хвостовые части, двери и детали интерьера, способствующие снижению веса и повышению топливной эффективности самолета (например, Boeing 787 Dreamliner, Airbus A350-XWB).

2. Промышленное применение:

Нагревательные элементы: в высокотемпературных печах.

Формы и пресс-формы для горячего прессования: для производственных процессов, требующих высоких температур и давлений.

Изоляция печей в вакууме/инертном газе: для тепловой защиты в экстремальных условиях.

Металлические лотки для спекания: используются в металлообработке.

Защитное экранирование: в различных условиях высоких температур.

Термальные поверхности электронных плат: для эффективного отвода тепла.

Компоненты для производства полупроводников: там, где критически важны высокая чистота и термостойкость.

3. Автомобилестроение:

Высокопроизводительные автомобильные компоненты: помимо тормозных систем, композиты C/C используются в деталях гоночных автомобилей и дорогих дорожных автомобилей благодаря своей лёгкости и прочности, что повышает их производительность и топливную экономичность.

Поршни двигателей: для повышения долговечности и производительности.

4. Медицина:

Биомедицинские имплантаты: такие как искусственные суставы, скелеты и компоненты сердца, благодаря своей биосовместимости и прочности.

Протезирование и хирургические инструменты: там, где требуются лёгкие, прочные и биосовместимые материалы.

5. Спортивные товары:

Высокопроизводительное оборудование: включая теннисные ракетки, клюшки для гольфа, хоккейные клюшки, луки для стрельбы из лука, лыжи, сноуборды, вейкборды, кайтборды, гребные снаряды и велосипедные рамы, которые обеспечивают меньший вес, повышенную жёсткость и улучшенные характеристики для спортсменов.

Хотя высокая стоимость и подверженность окислению (что требует использования защитных покрытий во многих случаях) исторически ограничивали их широкое применение, текущие исследования направлены на снижение затрат на производство и расширение сферы применения этих замечательных материалов.