Углеродные волокна

. Углеродные волокна. Угле¬родные волокна обладают комплексом ценных, а по ряду показателей уни¬кальных механических и физико-химических свойств. Углеродным волокнам присущи высокая теплостой¬кость, низкие коэффициенты трения и термического расширения, высокая стойкость к атмосферным воздействиям и химическим реагентам, различные электрофизические свойства (от полупроводников до проводников). Они могут иметь сильно развитую поверх¬ность (1000—2000 м2/г). Углеродные волокна имеют высокие значения удельных механических характери¬стик. Углеродные волокна делятся на карбочизованные (температура термо¬обработки 1173—2273 К, содержание углерода 80—90%) и графитизирован-ные (температура термообработки до 3273 К, содержание углерода выше 99%).
Существуют два основных типа исходных материалов для углеродных волокон: химические волокна — вискозные или полиакрилонитрильные (ПАН) и углеродные леки.
Процесс получения углеродных волокон из ПАН-волокон вкл/эчает4 текстильную подготовку матеш&ла, окисление, высокотемпературнуИ/в]

Кафедра МСП

работку (карбонизацию и графи¬та цию) .
Окисление облегчает дегидрирова¬ние полимера, создает условия для создания оптимальной структуры углерода. С целью предотвращения усадки волокна при окислении про¬водят вытяжку для улучшения каче¬ства волокон.
В процессе высокотемпературной обработки осуществляется переход от органического к углеродному во¬локну. При этом происходят сложные процессы ароматизации углерода и формирования структуры углеродного волокна. Обработка проводится в ва¬кууме или в инертной среде — азоте, гелии, аргоне. Конечная температура термообработки существенно влияет на свойства углеродных волокон. Из¬меняя ее, можно управлять свойствами волокна.
Более дешевые и доступные исход¬ные материалы — нефтяные и каменно¬угольные пеки, представляющие собой смесь олигомерных продуктов. Во¬локна из них формуют, пропуская расплав при температуре 370—620 К через фильеры диаметром 0,3 мм. Затем сформованное волокно вытягивается до степени вытяжки 100 000— 500 000%. При этом достигается высо¬кая ориентация макромолекул волок¬на. Карбонизация и графитизация пе-ковых волокон производится ана¬логично ПАН-волокнам.
Получение волокна без вытяжки воз¬можно из мезофазного пека, т. е. си¬стемы, состоящей из жидкокристал¬лической и аморфной фаз. Волокна из мезофазных пеков отличаются бо¬лее высокими прочностными показа¬телями.
Углеродные волокна имеют фибрил¬лярное строение. Характерный эле¬мент структуры — закрытые поры, которые могут занимать до 33% объема волокна. Поры имеют иглоподобную форму, ориентированы они вдоль оси волокна, их средняя длина (2— 3) 10~2 мкм, а диаметр (1—2) Ю-3 мкм. Увеличение числа пор снижает проч¬ность волокна при растяжении. Струк¬тура углеродного волокна показана на рис. 2.3.
Углеродные волокна, применяемые для армирования конструкционными^ териалов, условно делятся группы: высокомодульные