УДИЛИЩА, КОТОРЫЕ МЫ ВЫБИРАЕМ

Тема углепластика, его характеристик и качества, моделей и марок давно уже стала животрепещущей. К большому сожалению, далеко не всегда рассуждают на эту тему специалисты, внося еще большую путаницу в понимание вопроса.

В принципе, так ли важно рыболову вникать в научные тонкости материалов удилища, с которым он отправляется на рыбалку? Ответить на этот вопрос можно двояко: с одной стороны, «меньше знаешь – крепче спишь», с другой – «предупрежден, значит, вооружен». Многочисленные письма в редакцию ежегодника «Серебряного ручья», обсуждение на форуме lovi.ru, телефонные звонки утвердили нас во мнении, что назрела необходимость в обсуждении данного вопроса.

Учитывая опыт предыдущих публикаций на заданную тему, работу над статьей вели не журналисты, а специалисты. При этом для полноты оценки часть материала подготовлена ученым А. Ганопольским, более 30 лет занимающимся вопросами углепластиков, а часть (выделена курсивом) – Ю. Заславским, создателем популярной спиннинговой серии Silver Stream. По мнению редакции, такой симбиоз позволяет как нельзя лучше подойти к вопросу с двух сторон, отталкиваясь от известной поговорки «Практика без теории глупа, а теория без практики мертва». Кроме того, вы можете задавать вопросы авторам этой статьи на форуме портала www.lovi.ru.

Почему углекомпозит превзошел все другие материалы для изготовления удилищ? Если предельная прочность на растяжение легированной стали составляет 170-200 кг/мм², то у современного углеволокна – до 900 кг/мм². При удельном весе стали 7,8 г/см³ и углерода 2 г/см³ удельная прочность углеродной нити более чем в десять раз выше. Теоретический модуль упругости (модуль Юнга) в плоскости ориентации атомных слоев составляет 1060 ГПа (гигапаскалей).

Углекомпозит (на слэнге карбон, графит) состоит из полимерной матрицы и армирующих углеродных волокон или нитей. Основной вклад в прочностные и упругие свойства материала вносят волокна углерода. Казалось бы, чем выше содержание волокон в материале, тем выше его механические характеристики. Предельная плотность упаковки углеродных волокон составляет 91% от общего объема композита. На практике в композиты для удилищ волокно входит в виде тканей сложного плетения и реальная плотность упаковки составляет 60-85%.

Углеродное волокно представляет собой сложную неоднородную структуру. Оно изготавливается из полиакрилонитрильных (ПАН) и вискозных волокон, а также из волокон, получаемых из каменноугольных и нефтебитумных пеков. Наиболее прочные и высокомодульные углеродные волокна, из которых изготавливаются рыболовные удилища, получают из ПАН-волокон.

Первые углеродные волокна получил еще Т. Эдисон и применил их в качестве нити накаливания в электрической лампочке. Дело в том, что из природных материалов углерод имеет самую высокую температуру плавления – 3650 ºС, а кроме того, и самую высокую твердость – как у алмаза.

ПАН-волокно впервые было получено в Англии в середине 60-х годов прошлого века. Основные производства в настоящее время находятся в США и Японии. Термином «графитовые волокна» в США обозначают волокна, обработанные при температуре, превышающей температуру графитизации, т.е. 1400 ºС. Однако американские производители часто используют этот термин и для низкотемпературных волокон, что создает путаницу, хотя по рекомендации ИЮПАК термин «графит» должен использоваться лишь в том случае, когда углеродный материал имеет гексагональную кристаллическую структуру, то есть применение этого термина возможно только для высокотемпературных пековых волокон, не применяющихся в высокомодульных углекомпозитах для рыболовных удилищ.

Процесс производства углеродных ПАН-волокон состоит из трех основных стадий: окисления, карбонизации и графитизации. Окисление – стадия, способствующая созданию оптимальной структуры и прочности волокна, проходит она при равномерном повышении температуры до 1400 градусов. Карбонизация осуществляется при более высокой температуре и приводит к более глубоким изменениям промежуточного продукта. Содержание углерода в волокне увеличивается до 85%. Графитизация проводится при температуре до 2500 ºС в инертной среде, с удалением кислорода. Содержание углерода в волокне при этом выше 99%. Графитированное волокно содержит кристаллическую и аморфную фазы.

Повышение температуры графитизации увеличивает модуль упругости, но снижает прочность волокон. В современных технологиях удается избежать снижения прочности за счет применения очень чистых и однородных исходных ПАН-волокон. Вследствие этого конечная структура углеродных волокон оказывается достаточно однородной, химически чистой, с минимальным количеством посторонних включений и других дефектов структуры. При этом стоимость волокна существенно возрастает, что, в свою очередь, сильно повышает себестоимость удилищ и их цену.

Свойства углекомпозита как материала для рыболовных удилищ зависят не только от характеристик армирующих волокон. Существенное влияние на характеристики материала и бланка в целом оказывают вид плетения углеткани, свойства полимерной матрицы, способ обработки углеткани перед нанесением связующего, величина адгезии (сцепления) углеволокна и связующего после отверждения и многое другое. В качестве матрицы обычно используются эпоксидные, фенолформальдегидные и меламинформальдегидные смолы. Для увеличения сцепления с матрицей поверхность углеродного волокна подвергают окислению в жидкой или газообразной среде, «съедающей» поверхностные дефекты и образующей кислородосодержащие углеродные группы, способные реагировать с молекулами связующего, повышая адгезию.

Углеродная ткань, пропитанная связующим, – так называемый препрег – является основным полуфабрикатом для изготовления удилищ. От плетения ткани зависит, как будет работать бланк удилища, испытывающий на рыбалке сложные нагрузки – на растяжение, сжатие, кручение. Поскольку углекомпозит на сдвиг работает намного хуже, чем на растяжение, ориентация волокон в ткани предусматривает возможность их расположения под различными углами к оси бланка, что предотвращает работу материала удилища на чистый сдвиг и увеличивает его прочность. Поскольку материал анизотропный, характер нагружения сложный, удилище испытывает как статические, так и динамические нагрузки, материал работает на сжатие–растяжение–кручение, многое в соответствии расчетных данных реальным характеристикам бланка зависит от знания точных характеристик материала и от того, насколько адекватная математическая модель заложена в основу расчета бланка.

Специальная система стыка колен «Newsystemofajoint» обеспечивает надежное крепление, равномерное перераспределение нагрузки и долговечность стыка. Монтажный конический элемент вклеен таким образом, чтобы в случае приложения чрезмерной нагрузки, компенсировать избыточное усилие и предотвратить сворачивание и разрушение колен. Система стыка также обеспечивает повышенный акустический эффект.

Технология производства бланков удилищ, как и их сборки, неоднократно описана в рыболовной литературе. Следует лишь отметить: принципиальное значение имеет то, что при формировании бланка на дорне в специальной печи происходит одновременно два процесса. Один из них – финишная операция по получению углекомпозита. При температуре свыше 100 ºС происходит отверждение связующего с образованием жесткой трехмерной сшитой полимерной структуры с одновременным образованием адгезионных связей между волокнами углеткани и молекулами матрицы. Второй процесс – формообразование собственно бланка.

К основным характеристикам бланка, как известно, относятся прочность и долговечность. Не случайно на некоторые модели удилищ производитель дает пожизненную гарантию. Работая как в статическом, так и в динамическом режимах удилище в процессе эксплуатации подвергается циклическим нагрузкам разного характера. При отверждении связующего и последующем охлаждении бланка в углекомпозите в межфазном слое возникают внутренние напряжения, в общем случае негативно влияющие и на прочность, и на долговечность. В основном это связано с разницей в величине температурных коэффициентов линейного расширения материалов матрицы и арматуры в бланке и в некоторой степени с усадкой связующего. Величина и распределение внутренних напряжений были рассчитаны разными авторами на основе различных моделей. Отсутствие корректных экспериментальных данных по проблеме связано с тем, что стандартные методы, такие, как поляризационно-оптический, акустической эмиссии здесь не работают, а создание специальных методик и приборов под данную проблему требует больших материальных и временных затрат. Поскольку очевидно, что снижение внутренних напряжений в материале увеличивает прочность и долговечность удилищ, при отверждении применяют эмпирически подобранные режимы охлаждения, обеспечивающие частичное их снижение за счет релаксационных процессов, протекающих в матрице при медленном ступенчатом снижении температуры бланка.

Важным моментом является понимание работы углепластика под нагрузкой и природы его разрушения. В углекомпозите как анизотропном двухкомпонентном материале разрушение происходит не так как в однородных материалах – стали, алюминиевых сплавах и др., то есть за счет развития микротрещин, вершины которых являются концентраторами напряжений. В углекомпозите в силу двухкомпонентного состава материала микротрещины, развиваясь, «утыкаются» в полимерную матрицу, не получая соответствующего развития. Разрушение углеродного волокна происходит, согласно модели Рейнольдса-Шарпа, по разориентированным кристаллам с низким модулем сдвига – включениям в волокна. В ближайшие годы произойдет качественный скачек характеристик удилищ с появлением так называемого нановолокна, лишенного дефектов, характерных для макроволокон углерода. Наша компания уже ведет работу и эксперименты с этими материалами. Пока в основном из за непомерно высокой стоимости это все еще будущее, но уже ближайшее…

Ганапольский