6.5.1. Некоторые свойства углеродных волокон

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА. Благодаря низкой плотности и высоким прочностным свойствам, углеродные волокна имеют наи­более высокие удельные характеристики.

Коротко дадим понятие удельных характеристик прочности: удельной прочности и удельного модуля упругости.

Удельная прочность - это отношение прочности при растяже­нии к удельному весу:

Удельный модуль упругости - это отношение модуля упругости к удельному весу:

где

где р - плотность, кг/м³; g - ускорение силы тяжести, м/с²; σ_в - проч­ность при растяжении, Па; Е - модуль упругости, Па.

Если в выражения для σ_уд и аналогично для Е_уд подставить зна­чения входящих туда величин, получим:

Следовательно, σ_уд и Е_уд в системе СИ измеряются в метрах, но для уменьшения получаемых при этом чисел в ракетной технике при­нято применять величину в 1 000 раз большую, т. е. километр.

Например, если прочность нити _в= 36-10⁸ Па; плотность р = 1 800 кг/м³; ускорение силы тяжести g = 10 м/с², то удельная прочность

5. 160

129

σ_уд = 2 · 10⁵ м = 200 км.

Для удельного модуля это число будет еще больше.

В ракетной технике широко пользуются терминами удельной прочности и удельного модуля, выраженных в километрах. Для сравнения нужно отметить, что удельная прочность лучших сталей и алюминиевых сплавов составляет не более 50 км.

Правда, разброс вышеуказанных показателей для углеродных воло­кон иногда достигает 20...25 %. Это обусловлено наличием дефектов внут­ренней и внешней структуры УВ. Залечивание внешних дефектов путем травления, ионной бомбардировки и нанесения покрытий, приводит к повышению прочности УВ и уменьшению разброса показателей.

По прочности УВ делятся на три группы:

– низкопрочные, (σ_в < 500 МПа);

– средней прочности, (σ_в = 500... 1500 МПа);

– высокопрочные, (σ_в > 1 500 МПа).

Модуль упругости изменяется в пределах от 30 до 700 ГПа и про­порционально зависит от плотности углеродного волокна (табл. 18).

Высокопрочные углеродные волокна используются в композици­онных материалах для несущих конструкций, остальные - для теплоза­щитных и эрозионностойких материалов, теплоизоляции и т. д.

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА углеродных волокон такие же, как у компактных углеродных материалов, хотя плотность их значитель­но ниже, чем у графита (теоретическая плотность 2 260 кг/м³), что обусловлено менее совершенной структурой УВ и большей порис­тостью.

Для УВ характерна развитая пористость и большая удельная по­верхность, достигающая 2 000 м²/г при определенной термообра­ботке (табл. 19).

В последние годы разработаны волокнистые в том числе имп- регнированные различными веществами сорбенты в виде тканей, войлока, которые получают путем обработки исходных вискозных заготовок в среде углекислого газа при повышенных температурах.

130

Таблица 18

Механические свойства некоторых углеродных волокон

Марка материала	Срана	d, мкм	ρ, ГПа	Е, ГПа	σв, МПа	Ɛ, %
ВМН-3		7,0		250	1430
ВМН-4		6,0	1710	270	2210
Урал-15	СССР		1600	80	1600
Урал-24			1800	200	2000
Кулон			1900	600	2000
Графил-А			1760	192	2550
Графил-HMS	Англия		1880	400	2000	0,6
Модмор-1		7,8	2000	450	2300	0,5
Тип-ВМ		7,5	1940	380	1890
Торнел-100	США	9,4	1950	690	3450
Торнел-400			1780	206	2750	1,0
Ригилор-АС	Франция	12,4	1750	200	2000	1,5
Торейка-М-40	Япония	7,9	1800	400	2500	1,5

Обозначения: d – диаметр волокна; ρ – плотность; Е – модуль упругости; σ_в – прочность при растяжении; Ɛ – относительное удлинение.

Таблица 19