Углеродные волокна занимают особенное место среди жаростойких волокон. И это не просто так, поскольку 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 замечательными электрофизическими особенностями. Углеродные волокна принадлежат к широкой группе углеграфитовых тел. Структура УВ отличается от структуры монокристалла графита обоюдным размещением базовых плоскостей (ориентацией, расстоянием между плоскостями, их поворотом относительно оси перпендикулярной плоскости, повторяемостью структуры на протяжении оси).
Изучения структуры УВ разрешают сказать об особенной волокнистой форме углерода, структура которой в первую очередь определяется изюминками процесса получения УВ. Серьёзным причиной в этом случае есть то, что данный процесс не смотря на то, что и ведет к полной перестройке молекулярной и первичной надмолекулярных структур исходных волокон, но протекает в жёсткой фазе, а исходя из этого последовательность морфологических изюминок исходного волокна наследуется УВ. Так, УВ фактически сохраняет характерные для исходного волокна форму поперечного сечения, структуру типа ядро — оболочка, и фибриллярное строение. Не обращая внимания на наличие фибрилл как в исходном полимерном, так и в углеродном волокнах, последние отличаются по собственной структуре: фибриллы в УВ складываются из лентообразных базовых плоскостей. В зависимости от формы степени совершенства и поперечного сечения УВ его структуры, форма, взаимное расположение и размеры фибрилл в поперечном сечении волокна смогут различаться. УВ на базе пеков характеризуются случайным размещением торцов фибрилл в поперечном сечении, но для волокон из мезофазного пека характерна довольно громадная упорядоченность. Фибриллы, расположенные вблизи поверхности ( в оболочке) высокопрочных и высокомодульных УВ на базе ПАН, в большинстве случаев, параллельны данной поверхности, тогда как упорядоченность фибрилл в ядре волокна, заметно меньше и растет с увеличением температуры его обработки.
Ориентированные участки микрофибрилл складываются из пакетов параллельных базовых слоев и образуют так называемый кристаллит, что по строению подобен кристаллу графита, но отличается от него совершенством укладки. Кристаллит характеризуется размерами базовой плоскости на протяжении ( La ц ) и поперек ( La х ) оси фибриллы, толщиной пакета базовых плоскостей ( Lc ), расстоянием между плоскостями ( d ), и причиной ориентации кристаллитов ( Z) и средним углом их разориентации относительно оси волокна . Степень совершенства структуры кристаллитов пропорциональна их фактору и размерам ориентации и обратно пропорциональна углу и межплоскостному расстоянию разориентации.
Большое значение при-структурировании имеет неодновременность протекания пиролиза в разных участках волокна; наряду с этим те участки структуры, в которых процесс превращения на данной стадии заторможен, играют роль как бы матрицы, снабжающей протекание реакций без разрушения волокна в целом, и и его фибриллярной структуры. Приложение продольных упрочнений к волокну при термообработке, приводящее к трансформации его усадки, сопровождается заметным совершенствованием кристаллической структуры УВ.
Предложены разные совокупности классификации углеродных волокнистых материалов: по содержанию углерода и температуре обработки; по применению. По содержанию углерода и температуре обработки углеродные волокнистые материалы подразделяются на:
— частично карбонизированные ( до 500°С);
— угольные (500-1500°С);
— графитизированные ( 1500-2000°С).
По применению УВ возможно подразделить на четыре разновидности:
— конструкционные;
— теплозащитнью;
— с регулируемыми физико-химическими особенностями;
— с регулируемыми электрофизическими особенностями.
Помимо этого, УВ подразделяют на высокомодульные и низкомодульные.
УВ являются крайними в последовательности волокон из органических полимеров с разной жесткостью главной цепи и владеют по данной причине комплектом только занимательных химических и физических особенностей. По мере повышения жесткости звеньев макромолекулы (ив целом полимерной цепи) в этом последовательности отмечается возрастание модуля упругости, теоретических значений прочности, плавления и температур стеклования, химической стойкости волокон, понижается их растворимость. Практический интерес связан с возможностью реализации этих особенностей.
Упруго — прочностные особенности.В соответствии с расчетами модуль упругости УВ может быть около 1000 ГПа, а прочность 46 ГПа. Сравнение вычисленных значений с реально допустимыми говорит о том, что большие значения модуля упругости УВ соизмеримы с предельно достижимыми. В зависимости от типа условий получения и исходного сырья УВ их модуль упругости может изменяться в весьма широких пределах: от 69ГПа до 800ГПа. Возможность получения УВ с модулем упругости, родным к теоретическому, разъясняется высокой степенью совершенства и ориентации структуры этих волокон. По жесткости УВ существенно превосходят фактически все армирующие волокнистые материалы, незначительно уступая некоторым нитевидным монокристаллам.
Различие между реально достигнутыми ( 4ГПа) и вычисленными значениями прочности УВ разрешает сделать вывод о том, что прочность в значительной мере определяется дефектностью волокна.
Высокая жесткость УВ определяет низкие механические утраты при динамических нагрузках: тангенс угла механических утрат значительно уменьшается с ростом модуля и частотой нагружения упругости волокна.
Прочность высокопрочных УВ на сжатие равна 2,2 ГПа.
Термосгой кость. Для УВ характерна стабильность в широком промежутке температур. Они сохраняют собственные жёсткость и прочностные характеристики до 2000 К. В присутствии окислителей термостойкость УВ понижается. Температура начала окисления есть функцией степени совершенства структуры волокна и колеблется в промежутке от 723 — 1000 К.
Одной из характерных изюминок УВ есть отрицательный коэффициент линейного термического расширения.
Электрофизические особенности.УВ владеют проводимостью, близкой к железной. В зависимости от условий термообработки и типа сырья смогут быть взяты УВ с удельным объемным электрическим сопротивлением, изменяющимся от 10 до 10 -3 Ом см. При низких температурах термообработки УВ проявляют свойстьа полупроводников — величина запрещенной территории проводимости меньше 2зД но она значительно уменьшается с температурой обработки волокна до 0,02 эВ; при температуре обработки 1000 К проводимость УВ получает «полуметаллический» темперамент.
Химическая стойкость.Особенности молекулярного строения УВ ( полисопряженная структура с прочными связями между углеродными атомами ) определяют только высокую химическую стойкость волокна, а жёсткость молекул и большой размер (базовой плоскости) и прочные связи между ними -отсутствие растворимости. На химическую стойкость УВ воздействуют условия его получения и, в первую очередь, конечная температура обработки, с увеличением которой растет прочность связей и понижается число активных концевых атомов в базовой плоскости. Стойкость к действию агрессивных сред отмечается в пределах 257 дней. Отмечается некое (5-10 %) набухание УВ в растворе гидроксида натрия, азотной и фосфорной кислотах, понижение прочности на 15-30% при’ обработке щелочами и концентрированными кислотами, но модуль упругости не изменяется при обработке фактически любым реагентом. Исключение составляют гидроксид натрия и азотная кислота, обработка которыми сопровождается понижением модуля упругости УВ на 10-20%. Действие большинства реагентов не вызывает кроме этого заметного разрушения структуры волокна, а приводит только к травлению его поверхности.
Потенциальные возможности, заложенные в углеродных волокнах, еще далеко не исчерпаны, ив будущем их особенности будут существенно улучшены.
Углеродные волокнистые материалы имеют разнообразную форму. Они смогут изготавливаться в виде нитей, жгутов, войлока, лент, тканей разнообразного ассортимента, трикотажных изделий. Конечная форма углеродного материала по большей части 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.
Разглядим кое-какие из них:
Углен- жаростойкое жгутовое либо резаное некрученое волокно с регулируемыми электрофизическими особенностями ( электрическое сопротивление 100мм от 0,3 до 5 ом). Оно выдерживает в инертной либо восстановительной среде без массы и существенной потери прочности температуру до 3000°С, а в окислительной до 400°С. Употребляется в электротехнике, машиностроении, для изготовления электропроводящих бумаг. На базе этого волокна взяты фильтрующие исорбционно-активные волокнистые материалы. По качеству углен не уступает лучшим зарубежным волокнам, к примеру волокну кайякарбон (Япония).
В большинстве случаев нереально в УВ одного вида совместить и большую прочность, имаксимальный модуль упругости, поскольку эти показатели достигают собственных предельных значений при разных температурах обработки. Исходя из этого имеются отдельные марки высокомодульных УВ, владеющих в также время большой прочностью: Кулони марки высокопрочных ( модуль которых намного превышает модуль простых технических волокон ) : ЛУ, ЭЛУР.
Тканые углеродные материалы смогут быть взяты разной текстильной формы. Углеродные ткани выпускаются в виде однослойных и многослойных.
Высокая термостойкость разрешает использовать углеродные материалы как теплозащитные средства. Благодаря хорошей электропроводности, они используются для разнообразных целей: изготовления нагревательных элементов, например, для обогреваемой одежды, одеял, грелок, малых по размеру элементов обогрева помещений. Графитированная ткань снабжает равномерный нагрев, а маленькая масса нагревателей разрешает осуществлять практически охлаждение ткани и мгновенный нагрев, что облегчает автоматическое регулирование температуры. На базе УВ изготавливаются электропроводящие бумаги, особые костюмы для персонала, обслуживающего линии большого напряжения, снабжающие безопасность работы. Углеродные ткани употребляются для обогрева самолетов с целью предотвращения их обледенения.
Употребляется возможность применения УВ для того чтобы радиоламп, термопар, электрических установок и антенн для улавливания пыли.
Благодаря высокой хемостойкости, углеродные материалы смогут использоваться 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, и низкая зольность разрешают применять углеродные волокнистые материалы для очистки вирусных структур, питьевой и сточных вод от органических загрязнений и ионов металлов, включая радиоактивные. Фильтры из углеродных материалов используются для обесцвечивания растворов. УВ смогут использоваться в качестве носителей катализаторов в химической индустрии. Воображает интерес применение графитированных волокон для химических источников тока.
Композиционные материалы на базе УВ находят широкое использование. Применение их в авиастроении снабжает понижение массы подробностей фюзеляжа, крыла, оперения самолета на 15-50%. Углепластики разрешают снизить отношение веса к мощности двигателя и тем самым улучшить тактико-технические характеристики самолетов. Углеродные волокна используют при изготовлении элементов двигателей для упрочнения железных самолетных конструкций. Из композиционных материалов на базе УВ с повышенной термостойкостью изготавливают детали самолетов скоростной реактивной авиации и космических летательных аппаратов. Углеродные волокна используют для внешней теплоизоляции возвращаемых космических аппаратов; для внутренней теплоизоляции элементов реактивных двигателей, для изготовления тормозных дисков колес самолета.
Композиционные материалы на базе УВ употребляются в судо- и автомобилестроении для упрочнения кузовов гоночных автомобилей, изготовления гребневых винтов, автомобильных шасси, корпусов катеров, а также в качестве самосмазьшающихся материалов для роликов колес и подшипников.
Высокая химическая инертность делает углепластики полезным сырьем и конструкционным материалом, применяемых в химическом машиностроении для того чтобы, трудящейся под давлением и в агрессивных средах.
С применением УВ изготавливают электропроводящие панели отопления, спортивный инвентарь, части ЭВМ, каковые должны владеть низким моментом и малой массой инерции.
Греющий кабель из углеволокна из китая
