Органические волокна

Чаще всего для производства изделий АКТ используют волокна на основе ароматических полиамидов (арамидные волокна). Применяют также полиамидные (например капрон, найлон и др.) и полиимидные волокна.

Механические свойства некоторых органических арамидных волокон приведены в табл. 2.2.

Высокомодульные и высокопрочные арамидные волокна обладают уникальным комплексом свойств: высокими прочностью при растяжении и модулем упругости, термостабильностью, возможностью работать в широком температурном интервале, хорошими усталостными и диэлектрическими свойствами, малой ползучестью.

Таблица 2.2

Механические свойства органических арамидных волокон

Марка волокна	Плотность ρ10-3, кг/м3	Диаметр dƒ, мкм	Модуль упругости Е	Средняя прочность на базе 10 мм σƒ	Предельная деформация ε, %
			ГПа
ВНИИИВЛОН СВМ Терлон	1,43 1,43 1,45	15 15 -	110-130 125-135 130-160	2,1-2,6 3,8-4,2 3,3-3,6	3-5 3-4 2,7-3,5
Кевлар Кевлар-29 Кевлар-49	1,45 1,45 1,45		60 60-70 130-140	2,7 2,8-3,3 3,6-3,8	4,5 4,5 2,7-3.5

Благодаря низкой плотности арамидные волокна по удельной прочности превосходят все известные в настоящее время армирующие волокна и металлические сплавы, уступая по удельному модулю упругости углеродным и борным волокнам.

Арамидные волокна отличаются хорошей способностью к текстильной переработке. Прочность после текстильной переработки составляет 90% исходной прочности нитей, что дает возможность применять арамидные волокна в виде различных тканей.

Углеродные волокна

Углеродные волокна относятся к классу наиболее перспективных армирующих материалов, так как обладают рядом ценных и даже уникальных свойств. Они имеют низкую плотность (1,43…1,83 г/см³), высокую прочность ( до 3500 МПа) и удельную прочность, высокую жесткость (модуль упругости Е = 250…600 ГПа ) и удельную жесткость. Кроме этого углеродные волокна имеют высокую теплостойкость (в вакууме или в инертной среде), низкие коэффициенты трения и термического расширения. Они могут быть проводниками и полупроводниками.

Углеродные волокна подразделяются на карбонизированные (максимальная температура термообработки – 900…2000С, содержание углерода – 80…90%) и графитизированные (температура термообработки – до 3000С, содержание углерода – выше 99%).

Углеродные волокна получают методом термохимической переработки органических углеродсодержащих волокон:

1. полиакрилонитрильных волокон (ПАН-волокна);

б) гидратцеллюлозных волокон (ГЦВ) – вискозные волокна;

с) волокон, получаемых из углеродных (нефтяных и каменноугольных) пеков.

Наиболее дешевыми и доступными исходными материалами являются нефтяные и каменноугольные пеки, представляющие собой смесь олигомерных продуктов. Волокна из них формируют, пропуская расплав при температуре 100…350С через фильеры диаметром 0,3 мм. Затем сформованное волокно вытягивают до степени вытяжки 100 000…500 000%. При этом достигается высокая ориентация макромолекул волокна.

Процесс получения углеволокна включает в себя следующие этапы:

1. Формирование исходного волокна.

2. Термохимическая переработка волокна на ранней стадии карбонизации при нагреве до температуры 450…700С. При этом с помощью химических реакций удаляются радикалы, входящие в структуру ценных молекул полимера. В результате остается основная цепь молекул полимера, состоящая из атомов углерода.

3. Высокотемпературная карбонизирующая или графитизирующая обработка волокна с нагревом до 2000 или 3000С.

Термохимическую обработку проводят в вакууме или инертной среде – азоте, гелии, аргоне. Для улучшения качества волокон и предотвращения усадки термохимическую обработку проводят одновременно с некоторой вытяжкой волокон (волокна должны быть в натянутом состоянии).

Существенное влияние на свойства углеродных волокон оказывает конечная температура термообработки. Изменяя ее, можно управлять свойствами волокна.

Свойства некоторых углеродных волокон и их марки приведены в

табл. 2.3.

Углеродные волокна имеют фибриллярное строение (рис. 2.3).

Характерный элемент структуры – закрытые поры, которые могут занимать до 33% объема волокна. Поры имеют иглоподобную форму, ориентированы вдоль основного волокна, их средняя длина – (2…3)∙10^-2 мкм, а диаметр – (1…2)∙10^-3 мкм. Увеличение числа пор снижает прочность волокна при растяжении. Углеродные волокна, применяемые для армирования конструкционных материалов, условно подразделяют на две группы: высокомодульные (Е = 300…700 ГПа, σ^ƒ = 2,0…2,5 ГПа) и высокопрочные Е = 200…250 ГПа, σ^ƒ = 2,5…3,2 ГПа).

Получены также волокна, в которых сочетаются высокая прочность и высокий модуль упругости.

Углеродные волокна удовлетворительно поддаются текстильной переработке, поэтому их достаточно широко используют в виде тканей. Но довольно часто они используются и в виде ровингов, ровницы, жгутов и других видов материалов.

Таблица 2.3

Механические свойства углеродных волокон

Марка волокна	Плотность ρ10-3, кг/м3	Диаметр dƒ, мкм	Модуль упругости Е	Средняя прочность на базе 10 мм σƒ	Предельная деформация ε, %
			ГПа
ВМН-3 ВМН-4 ВЭН-210 Кулон ЛУ-2 ЛУ-3 ЛУ-4 Урал-15 Урал-24 Элур	1,71 1,71 - 1,90 1,70 1,70 1,70 1,5-1,6 1,7-1,8 1,6	7,0 6,0 9,9 - - - - - - -	250 270 343 400-600 230 250 250 70-80 150-200 150	1,43 2,21 1,47 2,0 2,0-2,5 2,5-3,0 3,0-3,5 1,5-1,7 1,7-2,0 2,0	0,6 0,8 0,4 0,4 1,0 1,1 1,3 2,1 1,1 1.3

Рис. 2.3. Структура углеродного волокна: А – поверхностный слой;

В – высокоориентированная зона; С – низкоориентированная зона;

1 – микрофибриллы; 2 – аморфный углерод

К недостаткам углеволокна можно отнести:

1) склонность к окислению на воздухе (особенно при температуре 300…400С);

2) высокую химическую активность при взаимодействии с металлическими матрицами;

3) возникновение электрического потенциала на границе волокон и металлической матрицы;

4) относительно слабую адгезию к полимерным матрицам.

Для устранения указанных явлений проводят исследования по нанесению на углеволокно металлических и керамических покрытий.