8.3.2. Получение углеродных волокон

из вискозных волокон

Параметры процесса следующие:

- окисление при 200400^оС на воздухе (со скоростью подъема температуры 10о/мин, или в инертной среде, но в этом случае меньше скорость окисления); в интервале температур 200-400^оС выделяются газообразные продукты и возникают циклические ненасыщенные структуры. Потеря веса достигает 80%, усадка 30-40%, а содержание углерода в волокне возрастает до 70%;

-карбонизация с вытягиванием при температуре 10001500⁰С в атмосфере инертного газа;

-графитизация при температуре выше 2800^оС со 100%-м вытягиванием УВ, что обеспечивает получение волокон с Е=700 МПа (у невытянутого 70 МПа) и высокой прочностью (Gр =3450 МПа). Процесс термовытяжки при графитизации оказывается весьма дорогим, что существенно влияет на стоимость волокна.

8.3.3. Получение углеродных волокон из пеков

Пеки – это продукты деструкции, образующиеся при перегонке нефти, каменного угля, натурального асфальта.

Пеки можно разделить на 4 фракции: насыщенные углеводороды (алифатические соединения с низкой молекулярной массой), нефтеароматические (ароматические вещества с низкой молекулярной массой и ненасыщенные углеводороды с циклической структурой), ароматические (полярные ароматические фракции с большой молекулярной массой и гетероцепные молекулы) и асфальты (вещества с высокой молекулярной массой и высокой степенью ориентации). Именно из асфальтов (асфальтенов), имеющих алкильные «блюдцеподобные» молекулы, формируются жидкокристаллическая структура и структура графита.

Получают УВ на основе жидкокристаллических (мезофазных) структур по технологии:

- нагревание при 400-450⁰С в среде инертного газа в течение длительного времени для получения жидкокристаллического состояния. В расплаве содержится 50-55% мезофазы;

- формование волокон через фильеры в атмосфере инертного газа со скоростью 127 м/мин с фильерной вытяжкой 1000. При этом формируются нити, имеющие радиальную, луковичную или радиально-изотропную структуру;

- отверждение (сшивание) термопластичных пеков при температуре 300оС в среде кислорода или окисляющих жидкостей;

карбонизация при 1000^оС в инертной среде;

графитизация с вытяжкой при температуре 1200 и 3000⁰С, что делает процесс дорогим. Однако графитизация с вытяжкой позволяет получать волокна с прочностью при растяжении Gр =2585 МПа и модулем упругости Е=480 ГПа, а без вытяжки Е=3570 ГПа.

8.3.4. Структура и свойства углеродных волокон

УВ имеют щели, открытые и закрытые поры, то есть поверхность шероховата, пориста и покрыта плоскими паркетными молекулами, которые характеризуются высокой взаимной насыщенностью углеродных атомов, а поэтому поверхностная энергия мала. В связи с этим УВ плохо смачиваются связующим, а КМ характеризуются низкой адгезионной прочностью. Для взаимодействия с полярной матрицей необходимо наличие на поверхности полярных групп. С этой целью УВ аппретируют (гамма-минопропилтриэтоксисиланом), подвергают поверхностному окислению газообразными (кислород, озон), жидкими (Н₂SО₄, НNО₃) окислителями или электрохимическому окислению.

Наличие на поверхности УВ некоторого количества атомов углерода с ненасыщенной валентностью способствует образованию при окислении УВ кислородсодержащих (ОН; СО; СООН) групп. Эти группы способны взаимодействовать с функциональными группами связующих.

Одновременно с химическими превращениями при окислении происходят физико-химические изменения структуры поверхности волокон, повышающие ее активность: частичное разрушение упорядоченной структуры, увеличение числа концевых ненасыщенных атомов углерода, площади поверхности и пористости.

Окисление УВ приводит к повышению прироста прочности при растяжении КМ на 20-30%, трансверсальной в 1,5-2,0 раза и сдвиговой в 2-2,5 раза.

УВ характеризуются высокой теплостойкостью, низким коэффициентом трения и термического расширения, высокой устойчивостью к атмосферным воздействиям и химическим реагентам, электрические свойства изменяются от полупроводников до проводников.

При тепловом воздействии вплоть до 1600-1200⁰С в отсутствие кислорода механические показатели волокна не изменяются. Это позволяет применять их в качестве тепловых экранов и теплоизоляционного материала в высокотемпературной технике. Предельная температура эксплуатации в воздушной среде 300^оС. В основном УВ используются в качестве наполнителей при создании ПКМ.

Свойства углепластиков представлены в табл. 9.

Углепласты характеризуются сочетанием высокой прочности и жесткости с малой плотностью (табл.9) низкими температурным коэффициентом линейного расширения и коэффициентом трения, высокими тепло- и электропроводностью, износостойкостью, устойчивостью к радиационному и термическому воздействию, хорошей стабильностью размеров.

Для снижения анизотропии свойств КМ вместо жгута при армировании применяют ленты и ткани различного переплетения.

Наиболее широко углепластики применяют в авиастроении, где они обеспечивают снижение массы деталей фюзеляжа, крыла, оперения самолетов. Применяют для изготовления лопастей и трансмиссионных валов вертолетов, элементов двигателей и т.п., а также деталей космических летательных аппаратов. Полимерные углепластики используют в судо- и автомобилестроении, изготавливают спортивный инвентарь, химическое оборудование, части ЭВМ.

Таблица 9

Свойства однонаправленных углепластиков на основе

высокомодульных УВ

Свойства	Эпоксидная смола		Полиимид
	А*	Б*	А*	Б*
Плотность, кг/м3	1500	1500	-	-
Прочность, МПа:
при изгибе	1000	1500	810	1300
при растяжении	1000	1500	-	-
при сжатии	800	900	-	-
при сдвиге	-	-	440	900
Удельная прочность,** км:
при изгибе	67	100	-	-
при растяжении	67	100	-	-
при сжатии	53	60	-	-
Удельная жесткость,*** км	12000	74	-	-

*А и Б – УВ с прочностью 200 и 300 МПа, модулем при растяжении 40000 и 22000 МПа;

** - отношение прочности КМ (кгс/мм²) к его плотности (кг/м³);

*** - отношение модуля упругости КМ к его плотности.