1.4 Перспективы создания современных углеродных волокон

1.4 Перспективы создания современных углеродных волокон

Первоначально в значительных объемах выпускалось УВ на основе вискозного корда, которое благодаря его высокой термостабильности преимущественно использовали в качестве теплозащитного материала в ракетной технике. После разработки технологии высокопрочных УВ на основе полиакрилонитрильных (ПАН) волокон появилась возможность широкого их использования в качестве конструкционных материалов в авиационной и ракетно-космической технике. Этому способствовало то обстоятельство, что наряду с высокой прочностью УВ имели сравнительно небольшую плотность и необычайно высокую стабильность размеров.
Накапливание опыта по применению УВ в различных отраслях народного хозяйства и специальной техники позволило вскрыть некоторые другие свойства. К их числу следует отнести такие, как высокая коррозионная стойкость, низкий коэффициент трения, регулируемая электропроводность, биологическая инертность и достаточно высокая адгезия к полимерным матрицам.
В развитии технологии современных УВ, а также в областях их применения четко определились два основных направления: создание волокон с предельно высокими механическими показателями и производство экономичных волокон со средним уровнем механических показателей. В первом случае речь идет о волокнах с прочностью 5-6 ГПа и высокомодульных УВ с модулем упругости 350-500 ГПа. Основными их потребителями являются авиационная и ракетно-космическая промышленность. Стоимость таких волокон, по зарубежным данным, достигает 60-300 долл./кг. Второе направление связано со многими другими отраслями народного хозяйства, где требования к механическим показателям не столь велики, а важное значение приобретает экономичность и другие свойства, такие как термостойкость, коррозионная стойкость, низкий коэффициент трения, тепло- и электропроводность, биологическая совместимость.
Физико-механические свойства УВ определяются степенью ориентации, размерами структурных элементов, дефектностью и равномерностью структуры по поперечному сечению. Предполагается, что имеет место прямой переход структуры от исходного ПАН волокна к углеродному с решающим влиянием структуры полимерного волокна на конечную структуру УВ. Повышение степени ориентации путем ориентационного вытягивания сопровождается улучшение физико-механических показателей только до определенного предела, выше которого прочность остается постоянной или даже снижается. Это связано с неоднородностью структуры элементарных волокон по поперечному сечению и между разными элементарными волокнами, в частности, их разной способностью к ориентационному вытягиванию.
Снижение дефектности исходных ПАН волокон, по общему убеждению,- одно из главных направлений повышения прочностных показателей УВ. Проблема получение бездефектных волокон включает в себя ряд вопросов: очистка технологических растворов от дисперсных и гелеобразных частиц; оптимизация условий истечения прядильного раствора с исключением явлений эластической турбулентности и резонанса; создание конструкции фильерного комплекта, обеспечивающего снижение нормальных потоков осадительной ванны и ее неравномерного разбавления в зоне формования; оптимизация условий ориентационного вытягивания.
Что касается производства экономичных УВ, то большинство специалистов рассматривая перспективу, отдает предпочтение волокнам из нефтяного и каменноугольного пека. Тем не менее применение ПАН и жгутовых вискозных волокон для производства экономических УВ сохранит свою значимость.
Таким образом, современное состояние производства и применения углеродных волокон характеризуется специализацией в направлении создания волокон с предельно высокими прочностными свойствами и освоения выпуска экономичных волокон для широкого промышленного использования.