8.1. Углеродные волокна (ув).

Огромное практическое значение среди углеродных материалов имеют углеродные волокна. Способ получения волокон из углерода – неплавкого и нерастворимого вещества – осуществлён впервые Эдисоном и Сваном. Им удалось, нагревая хлопковое волокно в определённых условиях, не разрушить его, а превратить в углеродное. Этот процесс термообработки без доступа воздуха называется пиролизом.

В конце 50-х годов ХХ столетия в США, Японии и СССР независимо друг от друга развернулись исследования, положившие начало создания промышленности углеродных волокнистых материалов (УВМ). В настоящее время для получения углеродных волокон в качестве сырья используют вискозные, ПАН-волокна, а также нефтяные и каменоугольные пеки. Основные требования к исходному сырью – это неплавкость волокон в условиях пиролиза и способность приобретать при термообработке необходимый комплекс свойств.

Углеродные волокна из пеков – самые дешёвые, т.к. пеки приблизительно в 100 раз дешевле, чем ПАН- и вискозные волокна. Да и выход готового УВ из пеков составляет 85 – 90 %, в то время, как из ПАН – волокна – 40 %, а из вискозного волокна – 15 – 20 %. Однако, само производство волокна из пеков достаточно сложно.

По свойствам все УВ подразделяются на высокопрочные, высокомодульные и низкомодульные. Это в первую очередь зависит от технологического режима термообработки, а затем – от свойств и природы исходного сырья. Высокопрочные волокна практически всегда получают из ПАН – волокон. Их прочность лежит в интервале от 2,4 до 5,4 ГПа, модуль упругости – 215 ¸ 255 ГПа. Высокомодульные углеродные волокна можно получать из любого сырья. Характеристики волокна, полученного из ПАН-волокон выше (s_р = 2,0 – 2,5 ГПа, Е_р = 343 ¸ 400 ГПа), чем у полученных из вискозного волокна (s_р = 2,0 – 2,14 ГПа, Е_р = 345 – 350 ГПа) или пеков (s_р = 2,1 ГПа, Е_р = 380 ГПа). Низкомодульные УВ имеют s_р = 1,1 – 1,2 ГПа, Е_р = 69 – 99 ГПа.

Для получения тканых изделий из УВ существует два способа: ткачество исходных волокон и последующая переработка тканых изделий в УВМ и другой способ – получение углеродных нитей или жгутов и их последующее ткачество.

УВМ используются главным образом как наполнители композиционных матералов. Это обусловлено их чрезвычайно высокими механическими свойствами. Высокая жёсткость УВ определяет низкие механические потери при динамических нагрузках: tgd механических потерь имеет значения порядка 10^-2 при частоте ~ 1 Гц и уменьшается с увеличение частоты нагружения и ростом модуля упругости волокна.

• Для УВ характерны не только высокие значения упруго-прочностных показателей, но и их стабильность в широком интервале температур вплоть до 1700 ^оС. В присутствии окислителей термостойкость УВ снижается и колеблется в интервале 450 – 725 ^оС

• Электрофизические свойства УВ в зависимости от типа исходного сырья и условий термообработки изменяются от диэлектрических до проводниковых: удельное объёмное электрическое сопротивление изменяется от 10¹⁴ до 10^-3 Ом^.см. При низких температурах термообработки УВ проявляют свойства полупроводников – ширина запрещённой зоны меньше 2 эВ. С увеличение температуры обработки ширина запрещённой зоны уменьшается до 0,02 эВ; при температуре термообработки 725 ^оС проводимость УВ приобретает «полуметаллический» характер. При высоких температурах термообработки электропроводность УВ приближается к электропроводности графита.