УГЛЕРОДНЫЕ ВОЛОКНА
Tohir@mail.ru |
Рахимов Тохир Хакимович |
tohir@mail.ru |
Углеродные волокна как
наноструктурированные
материалы
Углеродные волокна (УВ) являются наиболее эффективными наполнителями конструкционных композиционных материалов, которые
•сочетают
•высокие значения прочности и модуля упругости
•с низким удельным весом.
•Современные высокопрочные высокомодульные УВ имеют следующие показатели:
•- Модуль упругости до 500 – 600 ГПа;
•- Прочность 4 – 6,5 ГПа;
•- Плотность 1,7 – 2,0 г/см³.
3
особенности влияния элементов структуры УВ, имеющих наноразмеры (менее 100 нм), на главные показатели качества углеволокнистых материалов (УВМ),
модуль упругости
прочность.
значения этих характеристик можно варьировать в широких пределах
изменениями технологических режимов.
4
ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА ПРОИЗВОДСТВА УГЛЕРОДНЫХ ВОЛОКНИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ
Исходное |
Стадия термостабилизации волокна |
волокно |
|
|
(окисление) |
Окисленный полупродукт |
|
|
Карбонизованное и |
Стадия высокотемпературной обработки в графитированное волокно |
|
инертной среде |
|
Стадия изготовления углеродных |
|
|
тканей |
Углеродные тканые материалы |
|
|
(однонаправленные и |
5 |
|
равнопрочные) |
В процессе получения УВ происходит превращение полимерной структуры исходных волокон в углеграфитовую структуру.
Основными элементами углеграфитовой структуры являются:
фибриллы, наследуемые от ПАН-волокон,
кристаллиты, имеющие размеры порядка нескольких нанометров,
межкристаллитные аморфные прослойки.
Схема фибриллярной структуры УВ |
Электронно-микроскопический снимок |
6 |
|
тонкой структуры УВ |
•Модуль упругости УВ
•зависит от размеров и ориентации кристаллитов,
•это позволяет отнести УВ к наноструктурованным материалам.
•С увеличением конечной температуры термообработки УВ
•растет размер кристаллитов и
•снижается угол их разориентации относительно оси волокна,
•т.е. увеличивается степень ориентации
наноструктуры |
7 |
|
Влияние температуры обработки окисленного ПАН-волокна на изменение параметров кристаллитов:
1 – длина кристаллита; 8
2 – толщина кристаллита;
3 – угол разориентации кристаллитов относительно оси волокна.
Теоретический модуль упругости графитовой решетки
в направлении параллельном плоскости слоя равен 960-1160 ГПа.
В реально полученных УВ
достигнуты значения модуля упругости 500-600 ГПа,
это составляет примерно 50% от теоретически рассчитанного модуля упругости монокристалла графита.
Такие высокие характеристики УВ можно объяснить высокой степенью
ориентации углеграфитовой структуры в волокне,
является следствием
высокой степени ориентации прекурсора и
ее сохранением в ходе получения УВ,
матричным механизмом этого процесса. |
9 |
Модуль упругости есть функция степени графитации УВ, и потому изменяется с ростом конечной температуры обработки также как размеры кристаллитов.
Изменение прочности (кривая 1, σ) и модуля упругости (кривая 2, Е) |
10 |
с ростом конечной температуры обработки УВ (t). |
|