6.5. Углеродные волокна

Благодаря уникальным физико-химическим и механическим свойствам, углеродные волокна (УВ) среди других жаропрочных за­нимают особое место. В них удачно сочетаются высокие прочностные характеристики с низкой плотностью, поэтому по удельным показате­лям они превосходят любые другие жаропрочные волокна. Так, проч­ность при растяжении их составляет σ_в=2,5...3,5 ГПа, а модуль упруго­сти

Е= 200...700 ГПа при плотности ρ = (1,6...1,8)10³ кг/м³

К этому нужно добавить, что углеродные волокна обладают мно­гими свойствами, присущими компактным углеродным материалам, в том числе и такими как повышение прочности с температурой.

Углеродные волокна могут применяться в ракетной технике в каче­стве наполнителей теплозащитных, теплоизолирующих и конструк­ционных материалов в сочетании с полимерной, углеродной, кера­мической, металлической и даже стеклянной матрицей. Компози­ционные материалы, армированные углеродными волокнами, все больше начинают применяться и в других областях техники.

Углеродные волокна делятся на карбонизованные и графитирован- ные, которые, соответственно, содержат 80...90 % и 90...99 % углерода. Они образуются из волокнистых полимеров путем термической обра­ботки в инертных средах. В зависимости от исходного сырья и техно­логии обработки можно получить УВ с различными прочностными и физико-химическими свойствами.

Основными видами сырья являются:

- гидроцеллюлозное вискозное волокно (ГЦВ);

- полиакрилнитрильное волокно (ПАН-волокно).

Целлюлоза - это полимер природного происхождения: хлопок,

древесина и т. п., имеющие общую формулу (С₆Н₁₀О₅)п.

Структурная формула мономера целлюлозы:

Как видим, молекула целлюлозы имеет кратные (двойные) свя­зи, через которые и осуществляется полимеризация.

ПАН-волокно - это полимер акрилнитрильной кислоты

СН₂ = СН - CN,

которая кипит при температуре 350,6 К и также имеет кратную связь.

Как перспектива рассматривается и более дешевое сырье: пеки, фенольные и фурфурольные смолы, из которых сначала получают органические волокна, а затем - угольные.

ПАН-волокно используется в основном для получения высоко­прочных высокомодульных углеродных волокон, а ГЦВ - для угле­родных волокнистых материалов другого назначения.

К недостаткам ПАН-волокна можно отнести высокую стоимость, а также то, что при его получении выделяется синильная кислота, ГЦВ - дешевле и доступнее, но его высокие прочностные свойства могут быть достигнуты только путем графитации при температурах свыше 2 700 К.

Волокна, изготовленные из пеков и упомянутых выше смол, не дорогие, но имеют пониженную прочность.

Процесс получения всех видов УВ включает две стадии высоко­температурной обработки: карбонизацию при температуре 1 170... 2 270 К и графитизацию при температуре около 3 270 К в контроли­руемых средах (водороде, метане, азоте, аргоне, оксиде и диоксиде углерода), в угольной или графитовой засыпке и в вакууме.

Для создания углеродных волокон средней прочности подвер­гают карбонизации и графитации предварительно изготовленные ткани, ленты, пряжу, жгуты, трикотаж из органических волокон. В таком виде углеродные материалы могут применяться непосред­ственно для производства изделий, но часто их распускают на нити, из которых затем получают нужный полуфабрикат.

При получении высокопрочных и высокомодульных волокон сначала изготавливают органическое волокно путем вытягивания из растворов, например, ПАН-волокно - из акрилнитрильной кис­лоты. Процесс создания высокопрочных волокон является непре­рывным: органическое волокно, вытягиваемое из раствора, прохо­дит стадию карбонизации при температуре около 1 270 К и после­дующую стадию высокотемпературного обжига при температуре 2 170...2 270 К или выше и сразу наматывается на барабан. Волокно при этом должно быть сильно натянутым, чтобы в нем образова­лась неравновесная вытянутая структура (рис. 43).

Рис. 43. Схема получения высокопрочных волокон:

1 - лодочка с акрилнитрильной кислотой; 2 - направляющие ролики; 3 - устройство для нанесения модификаторов или покрытий; 4 - печь карбони­зации; 5 - печь высокотемпературного обжига; 6 - барабан или шпуля

Нужно отметить, что акрилнитрильная кислота при взаимо­действии с кислородом воздуха моментально отверждается, при этом происходит поликонденсация через «кислородный мостик»:

Иногда при этом применяются катализаторы и модификаторы, в качестве которых могут быть соли и оксиды гафния, бора, кремния, циркония, ванадия и др. Растворами этих и других веществ пропитываются карбонизованные волокна, ткани, ленты, жгуты. Кро­ме того применяются специальные покрытия, наиболее эффективны среди них - из пироуглерода, карбида кремния, нитрида бора.