3. Вуглецеві матеріали

Завдячуючи унікальним фізико-хімічним і механічним властивостям, вуглецеві волокна (ВВ) серед інших жаростійких посідають особливе місце. Вони вдало поєднують високі характеристики міцності з низькою густиною, тому за питомими показниками перевершують будь-які жаростійкі волокна. Так, їх міцність при розтяганні становить а_в = 2,5...3,5 ГПа, а модуль пружності Е = 200...700 ГПа за густини у = (1,6 1,8)103 кг/м³.

До цього слід додати, що вуглецеві волокна мають багато влас­тивостей, які притаманні компактним вуглецевим матеріалам, в тому числі й таку, як зростання міцності разом з підвищенням температури. Вуглецеві волокна можуть застосовуватися в ракетній техніці в якості наповнювачів теплозахисних, теплоізолюючих і конструкційних матеріалів у поєднанні з полімерною, вуглецевою, керамічною, металевою і навіть скляною матрицею. Композиційні матеріали, армовані вуглецевими волокнами, все частіше знаходять застосування і в інших галузях техніки.

Вуглецеві волокна поділяються на карбонізовані й графітовані, що вміщують відповідно 80...90 % і 90...99 % вуглецю. Вони утворюються із волокнистих полімерів шляхом термічної обробки в інертних середовищах.

Залежно від вихідної сировини і технології обробки можливо отримати ВВ різної міцності та з різноманітними фізико-хімічними властивостями.

Основними видами сировини є:

• гідроцелюлозне віскозне волокно (ГЦВ);

• поліакрілнітрильне волокно (ПАН-волокно).

Целюлоза - це полімер природного походження: бавовна, деревина і т. ін., із загальною формулою (С₆Ніо0₅)_п.

Структурна формула мономера целюлози:

н он о н

I I II І

Н-С- C-C-C-C-CHj.

І л I I ^J

оно н он

Як бачимо, молекула целюлози має кратні (подвійні) зв'язки, якими й здійснюється полімеризація.

ПАН-волокно - це полімер акрілнітрильної кислоти

СН₂ = СН - CN,

яка кипить за температури 350,6 К і також має кратний зв'язок.

Як перспектива підлягає розгляду і дешева сировина: пеки, фенольні й фурфурольні смоли, з яких спочатку отримують органічні волокна, а потім - вуглецеві.

ПАН-волокно головним чином, використовується для отримання високоміцних високомодульних вуглецевих волокон, ГЦВ - для вуглецевих волокнистих матеріалів іншого призначення.

До недоліків ПАН-волокна можна віднести високу вартість, а також те, що під час виготовлення його виділяється синильна кислота; ГЦВ -дешевше, доступніше, але його високі властивості міцності досягаються лише шляхом графітизації за температур понад 2 700 К.

Волокна, виготовлені з пеків і згаданих раніше смол, недорогі, проте мають понижену міцність.

Процес отримання усіх видів ВВ має дві стадії високотемпературної обробки: карбонізацію за температури 1 170...2 270 К і графітизацію за температури 3 270 К у контрольованих середовищах (водень, метан, азот, аргон, оксид і діоксид вуглецю), у внутрішній або графітовій засипці і в вакуумі.

Для створення вуглецевих волокон пересічної міцності піддають карбонізації і графітизації попередньо виготовлені тканини, стрічки, прядиво, джгут, трикотаж із органічних волокон. У такому вигляді вуглецеві матеріали можуть застосовуватися безпосередньо для продукування виробів, але нерідко їх розпускають на нитки, з котрих потім отримують потрібний напівфабрикат.

При отриманні високоміцних і високомодульних волокон спочатку виготовляють органічне волокно шляхом витягування із розчинів, наприклад, ПАН-волокно із акрілнітрильної кислоти. Процес створення високоміцних волокон є безперервним: органічне волокно, яке витягується із розчину, проходить стадію карбонізації за температури близько 1 270 К та наступну стадію високотемпературного випалу за температури 2 170. ..2 270 К або вищої й відразу намотується на барабан. Волокно при цьому повинно бути туго натягнутим, аби в ньому утворилась, нерівно вагова структура (рис. 5.9)

І

Рис. 5.9. Схема отримання високоміцних волокон: 1 - човник з акрілнітрильною кислотою; 2 - напрямні ролики; 3 - пристрій для нанесення модифікаторів чи покриття; 4 - піч карбонізації; 5 - піч високотемпературного випалювання; 6 - барабан чи шпуля

Слід зазначити, що акрілнітрильна кислота за взаємодії з киснем повітря моментально твердне, при цьому відбувається поліконденсація через «кисневий МІСТОК». _/СН_г _ СН - CN

о

⁴CHj-CH-CN

Іноді при цьому застосовуються каталізатори та модифікатори, ними можуть бути солі й оксиди гафнію, бору, кремнію, цирконію, ванадію та ін. Розчинами цих та інших речовин просочуються карбонізовані волокна, тканина, стрічки, джгути. Окрім того застосвуються спеціальні покриття, найбільш ефективні серед них - з піровуглецю, карбіду кремнію, нітриду бору.