5.Свойства и области применения углеродных волокон

Углеродные волокна занимают особое место среди жаростойких волокон. И это не случайно, так как по технико-экономическим предпосылкам, механическим показателям и особенно по их удельным значениям, углеродные волокна превосходят многие жаростойкие материалы. Они сочетают в себе жаростойкость с высокими механическими показателями и феноменальными электрофизическими свойствами. Углеродные волокна принадлежат к обширной группе углеграфитовых тел. Структура УВ отличается от структуры монокристалла графита взаимным расположением базисных плоскостей (ориентацией, расстоянием между плоскостями, их поворотом относительно оси перпендикулярной плоскости, повторяемостью структуры вдоль оси).

Исследования структуры УВ позволяют говорить об особой волокнистой форме углерода, структура которой прежде всего определяется особенностями процесса получения УВ. Важным фактором в данном случае является то, что этот процесс хотя и приводит к полной перестройке молекулярной и первичной надмолекулярных структур исходных волокон, однако протекает в твердой фазе, а поэтому ряд морфологических особенностей исходного волокна наследуется УВ. Так, УВ практически сохраняет характерные для исходного волокна форму поперечного сечения, структуру типа ядро - оболочка, а также фибриллярное строение. Несмотря на наличие фибрилл как в исходном полимерном, так и в углеродном волокнах, последние отличаются по своей структуре: фибриллы в УВ состоят из лентообразных базисных плоскостей. В зависимости от формы поперечного сечения УВ и степени совершенства его структуры, форма, размеры и взаимное расположение фибрилл в поперечном сечении волокна могут различаться. УВ на основе пеков характеризуются случайным расположением торцов фибрилл в поперечном сечении, однако для волокон из мезофазного пека характерна относительно большая упорядоченность. Фибриллы, расположенные вблизи поверхности ( в оболочке) высокопрочных и высокомодульных УВ на основе ПАН, как правило, параллельны этой поверхности, в то время как упорядоченность фибрилл в ядре волокна, заметно меньше и растет с повышением температуры его обработки.

Ориентированные участки микрофибрилл состоят из пакетов параллельных базисных слоев и образуют так называемый кристаллит, который по строению аналогичен кристаллу графита, но отличается от него совершенством укладки. Кристаллит характеризуется размерами базисной плоскости вдоль ( L_a ц ) и поперек ( L_a х ) оси фибриллы, толщиной пакета базисных плоскостей ( L_c ), расстоянием между плоскостями ( d ), а также фактором ориентации кристаллитов ( Z) и средним углом их разориентации относительно оси волокна . Степень совершенства структуры кристаллитов пропорциональна их размерам и фактору ориентации и обратно пропорциональна межплоскостному расстоянию и углу разориентации.

Немаловажное значение при-структурировании имеет неодновременность протекания пиролиза в различных участках волокна; при этом те участки структуры, в которых процесс превращения на данной стадии заторможен, играют роль как бы матрицы, обеспечивающей протекание реакций без разрушения волокна в целом, а также и его фибриллярной структуры. Приложение продольных усилий к волокну при термообработке, приводящее к изменению его усадки, сопровождается заметным совершенствованием кристаллической структуры УВ.

Предложены различные системы классификации углеродных волокнистых материалов: по температуре обработки и содержанию углерода; по применению. По температуре обработки и содержанию углерода углеродные волокнистые материалы подразделяются на:

- частично карбонизированные ( до 500°С);

- угольные (500-1500°С);

- графитизированные ( 1500-2000°С).

По применению УВ можно подразделить на четыре разновидности:

- конструкционные;

- теплозащитнью;

- с регулируемыми физико-химическими свойствами;

- с регулируемыми электрофизическими свойствами.

Кроме того, УВ подразделяют на высокомодульные и низкомодульные.

УВ являются крайними в ряду волокон из органических полимеров с различной жесткостью основной цепи и обладают по этой причине набором исключительно интересных химических и физических свойств. По мере увеличения жесткости звеньев макромолекулы (ив целом полимерной цепи) в этом ряду наблюдается возрастание модуля упругости, теоретических значений прочности, температур стеклования и плавления, химической стойкости волокон, снижается их растворимость. Практический интерес связан с возможностью реализации этих свойств.

Упруго - прочностные свойства. В соответствии с расчетами модуль упругости УВ может достигать 1000 ГПа, а прочность 46 ГПа. Сравнение рассчитанных значений с реально допустимыми показывает, что максимальные значения модуля упругости УВ соизмеримы с предельно достижимыми. В зависимости от типа исходного сырья и условий получения УВ их модуль упругости может меняться в очень широких пределах: от 69ГПа до 800ГПа. Возможность получения УВ с модулем упругости, близким к теоретическому, объясняется высокой степенью ориентации и совершенства структуры этих волокон. По жесткости УВ значительно превосходят практически все армирующие волокнистые материалы, незначительно уступая некоторым нитевидным монокристаллам.

Различие между реально достигнутыми ( 4ГПа) и рассчитанными значениями прочности УВ позволяет сделать вывод о том, что прочность в значительной степени определяется дефектностью волокна.

Высокая жесткость УВ определяет низкие механические потери при динамических нагрузках: тангенс угла механических потерь уменьшается с частотой нагружения и ростом модуля упругости волокна.

Прочность высокопрочных УВ на сжатие равна 2,2 ГПа.

Термосгой кость. Для УВ характерна стабильность в широком интервале температур. Они сохраняют свои прочностные характеристики и жесткость до 2000 К. В присутствии окислителей термостойкость УВ снижается. Температура начала окисления является функцией степени совершенства структуры волокна и колеблется в интервале от 723 - 1000 К.

Одной из характерных особенностей УВ является отрицательный коэффициент линейного термического расширения.

Электрофизические свойства. УВ обладают проводимостью, близкой к металлической. В зависимости от типа сырья и условий термообработки могут быть получены УВ с удельным объемным электрическим сопротивлением, изменяющимся от 10 до 10 ^-3 Ом см. При низких температурах термообработки УВ проявляют свойстьа полупроводников - величина запрещенной зоны проводимости меньше 2зД однако она уменьшается с температурой обработки волокна до 0,02 эВ; при температуре обработки 1000 К проводимость УВ приобретает «полуметаллический» характер.

Химическая стойкость. Особенности молекулярного строения УВ ( полисопряженная структура с прочными связями между углеродными атомами ) определяют исключительно высокую химическую стойкость волокна, а большой размер и жесткость молекул (базисной плоскости) и прочные связи между ними -отсутствие растворимости. На химическую стойкость УВ влияют условия его получения и, прежде всего, конечная температура обработки, с повышением которой растет прочность связей и снижается число активных концевых атомов в базисной плоскости. Стойкость к действию агрессивных сред отмечается в пределах 257 суток. Наблюдается некоторое (5-10 %) набухание УВ в растворе гидроксида натрия, азотной и фосфорной кислотах, снижение прочности на 15-30% при' обработке концентрированными кислотами и щелочами, однако модуль упругости не изменяется при обработке практически любым реагентом. Исключение составляют азотная кислота и гидроксид натрия, обработка которыми сопровождается снижением модуля упругости УВ на 10-20%. Воздействие большинства реагентов не вызывает также заметного разрушения структуры волокна, а приводит лишь к травлению его поверхности.

Потенциальные возможности, заложенные в углеродных волокнах, еще далеко не исчерпаны, и в будущем их свойства будут значительно улучшены.

Углеродные волокнистые материалы имеют разнообразную форму. Они могут изготавливаться в виде нитей, жгутов, войлока, лент, тканей разнообразного ассортимента, трикотажных изделий. Конечная форма углеродного материала в основном определяется формой исходного сырья.

Низкомодульные ткани УУТ-2, УТМ-8, штапельные углеродные волокна углен и грален (электропроводящие бумаги).

Высокомодульные: нити ВМН, ленты ЛУ-2, ЛУ-3, ЛУ-4, кулон, элур.

Рассмотрим некоторые из них:

Углен - жаростойкое жгутовое или резаное некрученое волокно с регулируемыми электрофизическими свойствами ( электрическое сопротивление 100мм от 0,3 до 5 ом). Оно выдерживает в инертной или восстановительной среде без существенной потери прочности и массы температуру до 3000°С, а в окислительной до 400°С. Используется в электротехнике, машиностроении, для изготовления электропроводящих бумаг. На базе этого волокна получены фильтрующие и сорбционно-активные волокнистые материалы. По качеству углен не уступает лучшим зарубежным волокнам, например волокну кайякарбон (Япония).

Обычно невозможно в УВ одного вида совместить и максимальную прочность, и максимальный модуль упругости, так как эти показатели достигают своих предельных значений при различных температурах обработки. Поэтому имеются отдельные марки высокомодульных УВ, обладающих в тоже время высокой прочностью: Кулон и марки высокопрочных ( модуль которых намного превышает модуль обычных технических волокон ) : ЛУ, ЭЛУР.

Тканые углеродные материалы могут быть получены различной текстильной формы. Углеродные ткани выпускаются в виде однослойных и многослойных.

Высокая термостойкость позволяет применять углеродные материалы как теплозащитные средства. Благодаря хорошей электропроводности, они применяются для разнообразных целей: изготовления нагревательных элементов, в частности, для обогреваемой одежды, одеял, грелок, малых по размеру элементов обогрева помещений. Графитированная ткань обеспечивает равномерный нагрев, а небольшая масса нагревателей позволяет осуществлять почти мгновенный нагрев и охлаждение ткани, что облегчает автоматическое регулирование температуры. На основе УВ изготавливаются электропроводящие бумаги, специальные костюмы для персонала, обслуживающего линии высокого напряжения, обеспечивающие безопасность работы. Углеродные ткани используются для обогрева самолетов с целью предотвращения их обледенения.

Используется возможность применения УВ для изготовления сеток радиоламп, термопар, антенн и электрических установок для улавливания пыли.

Благодаря высокой хемостойкости, углеродные материалы могут применяться для фильтрации агрессивных сред, очистки дымовых газов и других целей.

Волокна с развитой удельной поверхностью могут служить высокоэффективными сорбентами. Высокое содержание микро- и мезопор, развитая удельная поверхность, высокая сорбционная активность, а также низкая зольность позволяют использовать углеродные волокнистые материалы для очистки вирусных структур, питьевой и сточных вод от органических загрязнений и ионов металлов, включая радиоактивные. Фильтры из углеродных материалов применяются для обесцвечивания растворов. УВ могут применяться в качестве носителей катализаторов в химической промышленности. Представляет интерес использование графитированных волокон для создания химических источников тока.

Композиционные материалы на основе УВ находят широкое применение. Использование их в авиастроении обеспечивает снижение массы деталей фюзеляжа, крыла, оперения самолета на 15-50%. Углепластики позволяют снизить отношение веса к мощности двигателя и тем самым улучшить тактико-технические характеристики самолетов. Углеродные волокна применяют при изготовлении элементов двигателей для упрочнения металлических самолетных конструкций. Из композиционных материалов на основе УВ с повышенной термостойкостью изготавливают детали самолетов скоростной реактивной авиации и космических летательных аппаратов. Углеродные волокна применяют для внешней теплозащиты возвращаемых космических аппаратов; для внутренней теплозащиты элементов реактивных двигателей, для изготовления тормозных дисков колес самолета.

Композиционные материалы на основе УВ используются в судо- и автомобилестроении для упрочнения кузовов гоночных машин, изготовления гребневых винтов, автомобильных шасси, корпусов катеров, а также в качестве самосмазьшающихся материалов для роликов колес и подшипников.

Высокая химическая инертность делает углепластики ценным сырьем и конструкционным материалом, используемых в химическом машиностроении для изготовления аппаратуры, работающей под давлением и в агрессивных средах.

С использованием УВ изготавливают электропроводящие панели отопления, спортивный инвентарь, части ЭВМ, которые должны обладать малой массой и низким моментом инерции.