3 Свойства углеродных волокон

Углеродные волокна имеют диаметр от 6 до 10 мкм, они тоньше человеческого волоса. Близкий диаметр имеют промышленные стеклянные и высокопрочные высокомодульные полиариламидные волокна.

Углеродные волокна представляют собой химически очень чистое вещество. Они на 99,9 % состоят из одного элемента – углерода. /11/

Химический состав углеродных волокон зависит от условий их получения. С повышением температуры термической обработки содержание углерода увеличивается от 80 % до 99,5 %. По содержанию углерода углеродные волокна разделяют на: карбонизованные (не более чем 90 %), угольные (от 91 до 98 %) и графитовые (свыше 98 %). /12/

Молекулярная структура углеродных волокон включает в основном ароматические конденсированные карбо- и гетерополициклические фрагменты, а также углеродные цепи с двойными связями – СН = СН – или =С=С= . В углеродных волокнах содержатся гетероатомы N, О, Si, а на поверхности имеются различные функциональные группы: -гидроксильные, карбонильные, карбоксильные и др.

Углеродные волокна характеризуются высокой пористостью. Площадь внутренней поверхности достигает от 50 до 400 м²/г. Форма поперечного сечения углеродных волокон такая же, как у исходных волокон, а его площадь при пиролизе и карбонизации существенно уменьшается и составляет обычно около 16 до 100 мкм². /6/

Из свойств углеродных волокон особенное место занимает высокий модуль упругости и прочность, низкая плотность, низкий коэффициент трения, а также высокая стойкость к атмосферному влиянию и химическим реагентам. Кроме высоких прочностных свойств и малого веса, углеродные волокна и композиты из них (углепластики) имеют черный цвет и хорошо проводят электрический ток. Кроме этого, углеродные волокна имеют очень низкий, почти нулевой коэффициент линейного расширения, который делает их незаменимыми в некоторых специальных областях применения.

Углеродные волокна близки по прочности к стеклянным волокнам, однако они обладают меньшим удельным весом и более высокой жесткостью (модулем упругости). В таблице 3.1 приведена классификация углеродных волокон по физико-механическим свойствам. /11/

Таблица 3.1 – Классификация углеродных волокон, основанная на физико-механических свойствах

Классификация	Прочность на разрыв, МПа	Модуль Юнга, ГПа
Высокопрочные	3000 - 7000	200 - 300
Высокомодульные	2000 – 3000	350 - 700
Низкомодульные	500 – 1000	30 – 50
Средней прочности	1000 - 2000	50 – 150

В отличие от стеклянных волокон углеродные волокна плохо смачиваются связующим (т. е обладают низкой поверхностной энергией), потому они подлежат травлению.

В зависимости от исходного сырья и технологии обработки можно получать углеродные волокна с разными характеристиками.

Уникальным свойством углеродных волокон также является их сравнительно высокая электропроводимость. Волокна можно использовать в качестве нагревательных элементов потому, что их электропроводимость близка к электропроводимости нихрома.

Важным свойством углеродных волокон, определяющим перспективность использования подобных материалов во многих областях, является их высокая химическая стойкость по отношению к различным агрессивным реагентам. Это свойство углеродных волокон связано с их структурными особенностями и зависит в первую очередь от температуры термообработки, вида используемого сырья, наличия введенных элементов.

В то время как при комнатных температурах агрессивные жидкости не вызывают существенных изменений углеродных волокон даже при длительных воздействиях (в течение года), при повышенных температурах устойчивость углеродных волокон падает, в особенности к реагентам, обладающим окислительными свойствами (азотная кислота, гипохлорид натрия). Такие реагенты при повышенных температурах обуславливают окисление углеродных волокон, которое сопровождается разрушением аморфного углерода. При контакте с водными растворами кислот и щелочей происходит электрохимическое окисление углеродных волокон. Однако, за исключением случая поверхностного окисления, углеродные волокна обладают высокой химической стойкостью к воздействию кислот и щелочей. Кроме того, они имеют очень высокую теплостойкость: при тепловом воздействии вплоть до 1600—2000 °С в отсутствии кислорода механические показатели волокна не изменяются. /4/

Активацией углеродных волокон получают материалы с большой активной поверхностью (от 300 до 1000 м²/г), являющиеся прекрасными сорбентами. Нанесение на волокно катализаторов позволяет создавать каталитические системы с развитой поверхностью. Благодаря низкой плотности (от 1,7 до 1,9 г/м³) по удельному значению механических свойств углеродные волокна превосходят все известные жаростойкие волокнистые материалы. /2/

Углеродные волокна малогигроскопичные, но благодаря развитой поверхности они сорбируют водяные пары (до влажности порядка от 0,2 до 2 %), не меняя при этом своих физико-механических свойств.

Углеродные волокна обладают высокой атмосферостойкостью, устойчивостью к действию света и проникающей радиации. Углеродные волокна биостойки и биоинертны, жаростойки и трудногорючи. В инертной среде их можно эксплуатировать длительное время при температуре от 400 до 600 ⁰C; они выдерживают кратковременное воздействие температур от 800 до 2500 ⁰C. На воздухе температура эксплуатации не превышает от 300 до 400 ⁰C. /6/

Таблица 3.2 – Некоторые физические свойства углеродных волокон

Углеродное волокно	ρ, г/см3	Тсубл., К	Уд. пов-ть, м2/г	Коэф-т лин. расширения 10-6, К-1	Уд. электрич. сопротив-ние 10-5, Ом*м	Коэф-т теплопр-ти, Вт/(м*К)	Уд. Теплоем-ть, кДж/(кг*К)
Карбони-зованное	1,4–1,8	3873	1- 1000	1,5	1 - 70	0,8 – 1,6	0,8
Графити-зованное	1,8–2,15	3873	0,15 - 3	-1,5 – 2,5	0,3 – 1	1,7 – 2,0	0,6

Углеродные волокна по термостойкости превосходят многие известные материалы. В инертной среде их прочность и модуль упругости не снижаются при температурах до 1500 ⁰С. Вместе с тем в воздушной среде термостойкость составляет лишь 300 ⁰С для карбонизованных и 400 ⁰С для графитированных волокон. В таблице 3.2 представлены некоторые физические свойства углеродных волокон. /3/

Таблица 3.3 – Средние значения теплофизических свойств углеродных волокон

Свойство	Значения
Удельная теплоемкость, 103 Дж/кг*К	0,8 – 1,7
Коэффициент теплопроводности, Вт/мК	0,8 – 1,6
Удельное электрическое сопротивление, Ом*м	1,10-5 – 1,104
Теплостойкость в кислороде воздуха, 0С	До 450
Теплостойкость в инертных средах, 0С	До 3000

В таблице 3.3 рассмотрены средние значения теплофизических свойств углеродных волокон.

Колебания свойств углеродных волокон объясняются существенными различиями их структуры, наследуемой от исходных полимерных волокон и трансформирующейся в углеродное под влиянием термической обработки. Считается, что главными элементами структуры углеродных волокон являются пакеты графитоподобных лентообразных слоев, разделенных щелевыми порами, или углеродные микрофибриллы диаметром 25 – 100 нм, объединенные во вторичные структуры – фибриллы. Упруго-деформационные свойства углеродных волокон определяются аксиальной ориентацией этих элементов. Существует предположение также о микрокомпозитном строении углеродного волокна, в котором функцию матрицы, связывающей фибриллы, выполняет квазиаморфный углерод, заполняющий межфибриллярное пространство. Этот элемент структуры, благодаря способности легко деформироваться, низкой теплостойкости и малому модулю упругости, способствует равномерному распределению микронапряжений между фибриллами и их совместной работе при нагружении волокна, как это имеет место в макрокомпозите.

Ограниченность количественной информации о микроструктуре углеродных волокон, получаемой например, с помощью современной сканирующей электронной микроскопии, побудило авторов статьи /9/ использовать методы фрактальной физики, успешно применяемые для анализа структуры металлических сплавов, керамики, полимеров. На микрофотографиях поперечных сколов образцов углеродных волокон были видны все элементы их внутреннего строения. Обнаружена однородная непрерывная фаза – квазиматричный углерод, а также фибриллярные образования различной формы и размеров. /13/

Сорбционно-активные углеродные волокна – это новый класс сорбентов, обладающих специфическими, присущими только им свойствами. Углеродные волокна характеризуются наличием в их структуре пористости. Поры в углеродных волокнах игловидные, ориентированные в основном вдоль оси волокна. По характеру пористости углеродные волокна являются бидисперсными: до 66 % объема пор приходится на макропоры и до 33 % - на ультрамикропоры с радиусом от 0,29 до 0,68 нм.

В углеродных волокнах могут быть открытые поры, определяющие удельную поверхность, участвующую в сорбционных взаимодействиях, и закрытые поры, не доступные сорбенту.

Собственно углеродные волокна практического значения в качестве сорбентов не имеют, так как в зависимости от условий карбонизации они либо не обладают активной пористостью, либо она не достаточна для использования их в качестве эффективных адсорбентов.

Для получения из углеродных волокон адсорбентов с высокой сорбционной емкостью их подвергают активации при высоких температурах в атмосфере окислительного газа, в частности воздуха, смеси его с кислородом, двуокиси углерода, водяного пара и т.д. /3/

Во многих случаях углеродные волокна можно комбинировать с другими типами волокон – борными, стеклянными, органическими типа Келар 49, Армос, СВМ – для изготовления изделий, в которых совмещаются преимущества обоих типов волокон.