1 Применение углеродных волокон и композиционных материалов на их основе в различных отраслях промышленности ФДА Минтранса РФ, 02.12.2010. - презентация

1 1 Применение углеродных волокон и композиционных материалов на их основе в различных отраслях промышленности ФДА Минтранса РФ,

2 2 Структура Холдинга по производству углеродных волокнистых материалов в РФ ООО «Аргон» ООО «ЗУКМ» ООО «СНВ» ООО «Аргон», Саратовская область, г. Балаково. Крупнейший в России производитель углеродных волокон. Производственные мощности завода позволяют выпускать широкий спектр углеродных нитей, лент и тканей. Штат сотрудников завода человек. Мощность производства: по среднепрочным УВ – 180,0 т/год; по высокомодульным УВ – 24,0 т/год. ООО «Завод углеродных и композиционных материалов», г.Челябинск. Завод специализируется на выпуске высокомодульных углеродных волокон и углерод-углеродных композиционных материалов. Штат сотрудников завода – 250 человек. Мощность производства - 70 т/год. ООО «СНВ», г. Саратов ООО «СНВ» является единственным российским производителем полиакрилонитрильных жгутов – основного сырья для производства углеродных волокон. Штат сотрудников завода человек, Мощность производства: – 130 т/год технического ПАН-жгутика; – т/год текстильного ПАН-волокна. Управляющая компания, генеральный директор Меламед Леонид Борисович Госкорпорация «Росатом» ЗАО «Препрег- СКМ» ЗАО «Препрег-СКМ», г. Климовск Предприятие специализируется на выпуске препрегов и композиционных материалов. Мощность по пропитке безутковых однонаправленных лент – до 40,0 т/год. Мощность по ткачеству – до 60,0 т/год. Штат сотрудников предприятия – 50 человек.

3 3 Выпускаемые в промышленных объемах углеродные волокнистые материалы Углеродное волокно марок УК, УК-П Наименование показателейЗначение Количество филаментов Линейная плотность, ктекс 27±5 Диаметр филамента, мкм8.0 Прочность элементарного волокна на растяжение, не менее (ГПа) 2.0 Модуль упругости, не менее (ГПа)200 Удлинение при разрыве, %1.0 Плотность, г/см ±0.05 Углеродные нити марок УКН-М-3К/6К/12К Наименование показателейЗначение Количество филаментов 3000/6000/12000 Линейная плотность, текс 190/380/760 Диаметр филамента, мкм7.0 Разрушающее напряжение при растяжении углепластика, не менее (ГПа) 1.65 Разрушающее напряжение при сжатии углепластика, не менее (ГПа) 1.2 Модуль упругости, ГПа 225±20 Разрушающее напряжение при растяжении, не менее (ГПа) Комплексной нити в микропластике 3.2 Элементарной нити 3.5 Удлинение при разрыве, % Плотность, г/см ±0.05 Углеродные нити марок УКН-2500/УКН-5000 Наименование показателейЗначение Линейная плотность, текс205/410 Модуль упругости, не менее (ГПа) 235/210±3 0 Разрушающее напряжение элементарной нити при растяжении в микропластике, не менее (ГПа) 2.5/2.8 Плотность, г/см ±0.04 Массовая доля аппрета, %

4 4 Выпускаемые углеродные волокнистые материалы Углеродные жгуты марок ГЖ /ГЖ Наименование показателейЗначение Количество филаментов 6000/ Линейная плотность, текс360/550 Модуль упругости, ГПа450 Разрушающее напряжение нити при растяжении, ГПа не менее 2.4 Плотность, г/см Углеродные жгуты марок ВМН-4М/ВМН-4МТ Наименование показателейЗначение Количество филаментов7200/10800 Линейная плотность, текс 360/550±40 Диаметр филамента, мкм Модуль упругости, ГПа450 Разрывная нагрузка жгута, Н не менее60/80 Плотность, г/см /1.80 Углеродные ленты марок УОЛ-300-1/УОЛ Наименование показателейЗначение Ширина, мм 300±7 Количество нитей на 10 см: по основе: 66/111±2 по утку: 10/14±1 Поверхностная плотность, г/м 2 266/210 Толщина монослоя в углепластике, мм 0.23/0.19±0.015 Предел прочности при растяжении в углепластике, ГПа 1.37 Предел прочности при сжатии в углепластике, ГПа 1.05 Нить основыУКН-М-6К/3К Нить уткастеклонить

5 5 Выпускаемые углеродные волокнистые материалы Углеродные ленты марок ЛУ-П-0.1/ЛУ-П-0.2 Наименование показателейЗначение Ширина, мм 255±20 Поверхностная плотность, г/м 30/35±5 Количество нитей на 10 см: 400/485±25 Плотность нити, г/см ±0.05 Толщина монослоя углепластика, мм Разрушающее напряжение при растяжении в углепластике, ГПа Разрушающее напряжение при сжатии в углепластике, ГПа Модуль упругости углепластика при изгибе, ГПа 157±25 Плотность углепластика, г/см ±0.05 Углеродные ленты марок Элур-П/ Элур-П «КП» Наименование показателейЗначение Ширина, мм 245±30 Количество нитей на 10 см: 420/400±25 Плотность нити, г/см ±0.05 Толщина монослоя углепластика, мм Разрушающее напряжение при растяжении в углепластике, ГПа 0.9/1.1 Разрушающее напряжение при сжатии в углепластике, ГПа 0.9/1.1 Модуль упругости углепластика при изгибе, ГПа 145±25 Плотность углепластика, г/см ±0.05 Углеродная лента марки Элур-0.08ПА Наименование показателейЗначение Ширина, мм 220±20 Поверхностная плотность, г/м 15±5 Количество нитей на 10 см: 570±25 Плотность нити, г/см ±0.4 Толщина монослоя углепластика, мм Разрушающее напряжение при растяжении в углепластике, ГПа Разрушающее напряжение при сжатии в углепластике, ГПа Модуль упругости при углепластика изгибе, ГПа 145±25 Плотность углепластика, г/см ±0.05

6 6 Выпускаемые углеродные волокнистые материалы Углеродная ткань марки УТ-900 П Наименование показателейЗначение Поверхностная плотность, г/м 2 240±30 Ширина, мм 900±7 Предел прочности при растяжении углепластика, ГПа 0.70 Толщина монослоя в углепластике, мм0.60 Нить основыУКН-М-6К, 12К Нить уткаУКН-М-6К, 12К Углеродная ткань марки УТ Наименование показателейЗначение Поверхностная плотность, г/м 2 240±30 Ширина, мм 900±7 Количество нитей на 10 см. по основе 60±2 по утку 60±2 Предел прочности углепластика при растяжении, ГПа по основе0.59 по утку0.59 Предел прочности углепластика при сжатии, ГПа по основе0.59 по утку0.59 Нить основыУКН-М-3К Нить уткаУКН-М-3К Толщина монослоя, мм0.25±0.02 Наименование показателейЗначение Плотность материала, г/см Разрушающее напряжение при сжатии, ГПа157 Разрушающее напряжение при растяжении, ГПа 35 Разрушающее напряжение при изгибе, ГПа50 Коэффициент теплопроводности (при 50 °С), Вт/м·К, не более 7 Удельное электросопротивление, мОм·м30 Углерод - углеродный конструкционный материал КИМФ

7 7 Выпускаемые углеродные материалы Наименование показателейЗначение Плотность, г/см 3 не менее1.68 Прочность при сжатии, МПа125 Прочность при изгибе, МПа33.9 Пористость, %13.0 Удельное электросопротивление, мОм·м 12.0 Углеволокнистый графитовый композиционный материал УГКМ Наименование показателейЗначение Плотность (объемная масса), г/см 3 не более 0.30 Коэффициент теплопроводности (при 20 °С), Вт/м·К не более 0.40 Углеродный теплоизоляционный материал УТМ-1 Наименование показателейЗначение Плотность, кг/м Предел прочности при сжатии, МПа не менее 45.7 Предел прочности при растяжении, МПа не менее 4.5 Предел прочности при изгибе, МПа не менее 16.7 Удельное электросопротивление, мкОм·м 15.0 Содержание золы, %0.01 Заготовки и фасонные изделия из графита марки АРВ (ТУ ) Наименование показателейЗначение Плотность, кг/м Предел прочности при сжатии, МПа не менее27.4 Предел прочности при изгибе, МПа не менее9.8 Удельное электросопротивление, мкОм·м11.0 Заготовки и фасонные изделия из графита марки ГМЗ (ТУ ) Наименование показателейЗначение Плотность, кг/м Предел прочности при сжатии, МПа не менее 36.2 Предел прочности при изгибе, МПа не менее 16.7 Удельное электросопротивление, мкОм·м Заготовки и фасонные изделия из графита марки 3 ОПГ (ТУ )

8 строительство объектов промышленного назначения (армированный бетон, профили, сетки) усиление элементов конструкций при осуществлении ремонта и реконструкции зданий и сооружений (внешнее армирование) усиление и ремонт элементов мостовых конструкций (внешнее армирование) усиление элементов сейсмостойкого и прибрежного строительства (внешнее армирование) ремонт специальных резервуаров, градирен, труб Солесгуститель (спецрезервуар) Объект строительства Бортовая причальная балка Направления использования композиционных материалов на основе углеродных волокон Опоры моста 8

9 Система предназначена для ремонта и усиления строительных конструкций с целью устранения последствий разрушения бетона и коррозии арматуры в результате длительного воздействия природных факторов и агрессивных сред в процессе эксплуатации Преимущества перед традиционными методами малый вес и малая общая толщина высокая прочность отсутствие коррозии, химическая стойкость простота и скорость выполнения работ нет потребности в тяжелом подъемном и установочном оборудовании возможность изготовления любой длины (нет необходимости в сложных стыках) Системы внешнего армирования строительных конструкций – мировая практика широкого применения

10 Арочный проем Потолки Стеновой проем Плиты перекрытия Колонны Ремонт и усиление строительных конструкций Направления использования композиционных материалов на основе углеродных волокон Потолки 10

11 На дорогах общего пользования России эксплуатируется мостовых сооружений общей протяженностью 1600 км, из которых – железобетонные, 500 – бетонные, стальные Более 20% мостов находятся в неудовлетворительном состоянии и нуждаются в ремонте и усилении конструкций Минимум мостов (20% от капитальных железобетонных, бетонных и каменных) общего назначения должны быть подвергнуты реконструкции в ближайшее время В качестве основных методов усиления и ремонта конструкций методом внешнего армирования рассматривается: внешнее обжатие углепластиковыми прутками, наклеивание углепластиковых лент – ламелей и обмотка однонаправленными полотнами железобетонных опор. Обжатие прутками Обмотка полотнами опор Наклеивание УВ лент Направления использования композиционных материалов на основе углеродных волокон 11

12 Габариты моста: длина – 15,65м; ширина – 8,29 м Проектные нагрузки:H-13;НГ-60(Д) Число полос на дороге : 2 Категория дороги: IV Общие сведения о состоянии моста по результатам обследования от июня 2007года Сведения о ремонтах: переустройство мостового полотна. Замена ограждений в 2003г. Статическая система: балочная, разрезная Тип несущей конструкции: ребристые балки с диафрагмами Фактическая несущая способность моста – 20тонн единичной нагрузки. 12

13 арматура подвержена поверхностной коррозии дополнительный слой дорожной одежды создает непроектную нагрузку имеются участки разрушения бетона, с обнажением рабочей арматуры продольные трещины (глубина трещин не выявлялась) Недостаточная несущая способность моста, в связи с устаревшими нормами проектных нагрузок Дефекты, выявленные в результате обследования в 2010 г. 13

14 Предложение по усилению аналогичного моста традиционным методом Ж/б обойма Металлическая обойма 14

15 Фактически проведенное в 2010 г. усиление моста (п. Татищево, Саратовская обл.) углеродной лентой 15

16 Использованный материал внешнего армирования – углеродная лента УОЛ. Могут использоваться и углеродные ткани. Углеродные ткани изготавливают из жгутов углеродных волокон путем ткачества Толщина ткани (0,1-0,4мм) зависит от количества волокон в жгутах, диаметра волокон и расположения жгутов. Масса -0,15-0,5 кг/м 2 Ткани выпускают разной ширины, как правило от 100мм до 500мм. Углеродные ткани применяют для создания композитных материалов путем проклейки ткани полимерной смолой Прочность ткани при растяжении МПа Модуль упругости- 250 ГПа Относится к группе трудносгораемых строительных материалов. 16

17 Технико-экономическое обоснование эффективности усиления системой внешнего армирования Калькуляция себестоимости ремонта моста (п.Татищево, Саратовская обл.) системой внешнего армирования углеродными лентами Калькуляция себестоимости ремонта моста (п.Татищево, Саратовская обл.) традиционным методом усиления металлическими шпренгелями Статьи затратСумма, руб.Статьи затратСумма, руб. Проектирование ,00Проектирование ,00 Материалы ,00Материалы ,00 Проведение работ ,00Проведение работ ,00 Итого: Сметная стоимость с НДС ,00Сметная стоимость с НДС ,00 Экономический эффект ,00 Несущая способность моста (п.Татищево, Саратовская обл.) обозначение нормативной нагрузки значение единичной нагрузки, тонн Проектная нагрузка до усиленияН-13; НГ-60(Д)48,00 Фактическая нагрузка до усиления 20,00 Фактическая нагрузка после усиленияАК-1482,23 Увеличение несущей способности 62,23 17

18 18 Технические свидетельства на использование углепластиков и углестеклопластиков в строительстве* * - подробная информация приведена в Приложении 1

19 19 * - подробная информация приведена в Приложении 2

20 20 * - подробная информация приведена в Приложении 3

21 Физико-механические свойства углестеклопластика ( разработан и сертифицирован для мостовых конструкций) 21 Наименование показателейРазмерностьТребования ТУ (подтверждены ТС) 1.Плотностьг/куб. см1,45 – 1,8 2.Предел прочности при растяжении, вдоль направления вытяжки МПа, не менее Предел прочности при растяжении, поперек направления вытяжки МПа, не менее Предел прочности при сжатии, вдоль направления сжатия МПа, не менее Предел прочности при изгибеМПа, не менее Модуль упругости при растяженииГПа, не менее Модуль упругости при сжатииГПа, не менее38 8.Предел прочности при межслоевом сдвигеМПа, не менее Предел прочности одноболтового соединения на скалывание, вдоль и поперек направления вытяжки МПа, не менее32 10.Водопоглощениев %, не более0,5

22 Преимущества: высокие диэлектрические свойства, отсутствие радиопомех изогридная сверхлёгкая конструкция монтаж без применения техники, возможность установки в труднодоступных местах гарантированный срок службы – 80 лет низкие эксплуатационные расходы Применение композиционных материалов на основе углеродных волокон при изготовлении легких, быстровозводимых вышек (мачт) для установки ретрансляционного и приемо-передающего оборудования в труднодоступных местах Опоры и иные несущие конструкции различных типов 22

23 23 ФИБРОВОЛОКНО, как добавка в бетоны и строительные смеси Область применения строительство объектов гражданского и промышленного назначения (фиброармированный бетон) компонент сухих смесей монолитное строительство и торкрет-бетоны декоративные изделия и тротуарная плитка промышленные полы и стяжки Технические характеристики ПАН-фибры материал Средний диаметр волокон, (мкм) Длина волокон, (мм) Прочность на разрыв, (ГПа) Удлинение, % Модуль упругости, (ГПа) Количество единичных волокон, (млн. шт./кг) Площадь поверхности волокна, (м 2 /кг) Температура плавления, ( С) ПАН фибра , 6, 12, 18, 40 0, Технические характеристики УВ-фибры материал Средний диаметр волокон, (мкм) Длина волокон, (мм) Прочность на разрыв, (ГПа) Удлинение, % Модуль упругости, (ГПа) Количество единичных волокон, (млн. шт./кг) Площадь поверхности волокна, (м 2 /кг) Температура плавления, ( С) УВ фибра , 6, 12, 18, 40 2,

24 Фибра – мелко дисперсное волокно выпускается из волокон 3-х типов: на основе ПАН волокна, ПАН окисленного волокна и углеродного волокна. Используется в качестве армирующей добавки в цементные, бетонные, пенобетонные и асфальтобетонные смеси. Армирующая добавка– углеродная фибра 24

25 Фибра в асфальтобетоне 1.Ведении УВ фибры асфальтобетонную смесь существенно повышает прочность на сжатие при температуре 50°С (на 96%) и сцепление при сдвиге (на 62%). 2.Ведении ПАН-фибры асфальтобетонную смесь существенно повышает прочность на сжатие при температуре 50°С (на 120%) и сцепление при сдвиге (на 92%). 25

26 Результаты испытаний фибробетона 26

27 Эффективность армирования бетона фиброй Показатели модифицированных бетонов Значение показателя 1. Уменьшение образования микротрещин и внутренних напряжений при пластической усадке до 75% 2. Увеличение водонепроницаемости до 50% 3. Увеличение морозостойкости до50% 4. Повышение прочности при сжатии до 25% 5. Повышение прочности при раскалывании до 35% 6. Повышение ударной и усталостной прочности до 500% 7. Препятствие расслаиванию бетонной смеси до 25% 8. Сокращение времени первичного и окончательного твердения, ускорения оборота форм до 45% 27

28 28 Торктерирование (напыление слоя бетона) фибробетоном на основе фибры из углеродного волокна УК при проведении аварийно-спасательных работ по водопроводному комплексу г. Саратова Использование углеродных лент для армирования фундаментов зданий управлений Внутренних дел по Южному Федеральному округу с целью снижения разрушений в случае проведения террористических актов Выполненные работы

29 29 Замена стальной арматуры на углепластиковую при ремонтно- восстановительных работах Вид работ: Усиление кирпичных стен, железобетонных конструкций арматурой из углепластика Преимущество арматуры из УВ перед стальной: Не подвержена коррозиию. Высокая прочность (углепластиковая арматура ø 6 мм заменяет по свойствам стальную ø 18 мм). Малый удельный вес арматуры из УВ позволяет снизить общий вес конструкции. Снижение трудозатрат при погрузочно-разгрузочных и монтажных работах (один рабочий может переносить до 600 погонных метров арматуры из УВ). Увеличенный срок эксплуатации. Углепластиковая арматура при проведении ремонтных работ в Саратове

30 30 1.Где Вы видите новые возможности применения композиционных материалов на основе углеродных волокон? 2.Какие композиционные материалы на основе УВ (технические характеристики, цены) имеют перспективу наиболее быстрого внедрения? 3.Оценочные объемы потребления композиционных материалов на основе углеродных волокон? 4.Направление совместных научных работ по внедрению композиционных материалов на основе углеродных волокон. 5.Процедура по совместной разработке ТЗ на требуемые композиционные материалы на основе углеродных волокон. Формат утверждения методики их применения. Вопросы со стороны авторов презентации