1. Получение углеродных материалов

Материалы на основе углерода занимают особое место в различных отраслях народного хозяйства благодаря сочетанию жаропрочности, меха­нической прочности при высоких температурах, химической стойкости в агрессивных средах, фрикционным, антифрикционным, электрическим свойствам. Это единственные в природе вещества, способные увеличивать свою прочность с возрастанием температуры. Сочетание прочности стали с легкостью пластмасс, непревзойденная жаростойкость, биологическая со­вместимость с живой материей (искусственный клапан сердца, протезы сус­тавов И: костей) - все это позволяет создавать на основе углеродных мате­риалов уникальные детали сложнейшей конфигурации, область применения которых простирается от медицины до космоса.

Углеродные материалы включают в себя широкий спектр как при­родных, так и искусственно созданных веществ. К природным относятся: графит и антрацит.

Искусственно созданные углеродные материалы - это прежде всего углеграфитовые материалы, технология которых была разработана в конце прошлого века. Основные операции этой технологии не претерпели суще­ственных изменений до настоящего времени. Твердые углеродные напол­нители как природные (графит, антрацит), так и искусственные (кокс, сажа) смешиваются со связующим (пек, искусственные смолы). Эта смесь прессу­ется, в результате чего получаются так называемые «зеленые» заготовки, затем эти заготовки подвергаются термической обработке без доступа воз­духа (обжиг). При этом связующее превращается в кокс, связывая углерод­ный наполнитель в единый монолит. Обожженный материал затем может быть подвергнут дальнейшей высокотемпературной обработке без доступа воздуха (графитация), в процессе которой происходят сложные изменения внутренней структуры материала, такие как увеличение размеров графито-подобных кристаллитов, повышение степени их упорядоченности. Все ос­новные операции получения углеграфитовых материалов будут рассмотре­ны подробно в последующих параграфах.

Классы искусственно созданных углеродных материалов постоянно расширяются, так как появление новых отраслей в науке и промышленно­сти, более жесткие требования, предъявляемые конструкторами и техноло­гами, приводят к разработке углеродных материалов с улучшенными свой­ствами.

Развитие авиации и освоение космоса способствовало созданию тех­нологии углеродных волокон, состоящих практически из чистого углерода, обладающих относительно высокой прочностью, хемостойкостью, тепло­проводностью и низкой плотностью.

Введение в полимерные материалы углеродных волокон позволило создать принципиально новый класс конструкционных материалов - углепластиков. Они представляют собой композиционные материалы на основе полимерной матрицы, армированной непрерывными или дискретными уг­леродными волокнами.

Углеродные конструкционные материалы (УКМ) отличаются от из­вестных конструкционных материалов более высокой удельной прочностью и жесткостью. Однако полимерные матрицы обладают низкой термостой­костью, что ограничивает область применения УКМ. В последние годы наибольшее распространение в различных отраслях техники, особенно авиации и космической отрасли, получили углерод-углеродные композици­онные материалы (УУКМ), содержащие углерод как в виде армирующего наполнителя, так и в виде матричного материала.

В УУКМ высокая температуростойкость сочетается с малой плотно­стью, высокими прочностью и модулем упругости, стойкостью к тепловому удару. Эти материалы длительно работоспособны при температурах до 500°С в окислительной среде и до 3000°С в инертной среде и в вакууме.

УУКМ может быть получен либо осаждением пироутлерода на угле­родный волокнистый наполнитель, либо поочередно многократной пропит­кой углепластика полимерным связующим и высокотемпературной обра­боткой. К искусственно созданным углеродным материалам относятся та­кие традиционные материалы как технический углерод (сажа), углеродные сорбенты и синтетические алмазы. Все эти материалы отличаются и техно­логией изготовления, и областями применения. Среди огромного количест­ва углеродных материалов объем производства углеграфитовых материалов наибольший, так как область применения их весьма широка: в металлурги­ческой, химической, в электротехнике, атомной энергетике, ракетной тех­нике, в машино-, авиа-, приборостроении, их также используют как конст­рукционные и строительные материалы.