Углерод-углеродные композиционные материалы - файл n1.doc

приобрести
Углерод-углеродные композиционные материалы
скачать (728.5 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc729kb.18.09.2012 23:49скачать

n1.doc

  1   2   3



Реферат по органической химии



«Углерод-углеродные композиционные материалы»
Область соединений углерода так велика, что

составляет особую отрасль химии, то есть химии

. углеродистых или, лучше, углеводородистых соединений

Д.И. Менделеев («Основы химии»).
Содержание:

Введение…………………………………………………………………………………………..

1. История развития производства углеграфитовых материалов……………………….

2. . Углеродные волокна как армирующий наполнитель углерод - углеродных композиционных материалов……………………………………………………………………

2.1. Особенности структуры и свойств углеродных волокон…………………………………

2.2. Основные стадии формирования углеродных волокон…………………………..…….

2.3. Углеродные волокна на основе полиакрилонитрила………………………………….

2.4. Углеродные волокна на основе пеков………………………………………………….

2.5. Углеродные волокна на основе гидратцеллюлозы………………………………………

2.6. Способы армирования углеродных волокон…………………………………………….

3. Матрицы углерод - углеродных композиционных материалов…………………..

3.1. Пиролитический углерод………………………………………………………………..

    1. Стеклоуглерод…………………………………………………………………………….

    2. Углерод на основе пеков…………………………………………………………………..

  1. Углерод - углеродные композиционные материалы с заданными свойствами…………

4.1. Технология получения углерод - углеродных композиционных материалов…………………

    1. Влияние технологических факторов на свойства углерод - углеродных

композиционных материалов………………………………………..………………………..

4.3. Физико-механические свойства углерод - углеродных композиционных материалов……

4.4. Охрана труда при производстве углерод - углеродных композиционных материалов……………………………………………………………………………………….

  1. Области применения углерод - углеродных композиционных

материалов………………………….……………………………………………………………

5.1. Авиастроение……………………………………………………………………………….

5.2. Ракетостроение и космическая техника…………………………………………………..

5.3. Металлургия…………………………………………………………………………………

5.4. Машиностроение…………………………………………………………………………….

    1. Электротехника………………………………………………………………………………

5.6. Медицина……………………………………………………………………………………

    1. Реакторостроение……………………………………………………………………………..

Выводы………………………………………………………………………………………

Список литературы…………………………………………………………………………
Введение.

Революционные идеи научно-технического прогресса невозможно реализовать без помощи конструкционных материалов. К физико-механическим, химическим, технологическим и эксплуатационным свойствам предъявляются новые или известные, но повышенные требования. Зачастую именно отсутствие материалов с особыми свойствами сдерживает процесс создания новых видов техники и технологии. Развитие техники потребовало создания материалов с поистине уникальными свойствами. Такие материалы должны выдерживать длительное воздействие температур 2000С-3000С и кратковременное до 15000С, имея при этом высокую прочность и низкую плотность. Одним из видов материалов, характеризующихся такими свойствами, являются углеграфитовые материалы.

В то же время углеграфитовые материалы обладают рядом недостатков, ограничивающих их применение: недостаточная термопрочность и стойкость к тепловому удару и к ударным нагрузкам, хрупкость.

Эти недостатки могут быть устранены путем создания композиционных материалов на основе углеродного волокна в качестве армирующего элемента и объёмно-изотропной матрицы в виде поликристаллической углеродной массы, получивших название углерод-углеродные композиционные материалы (YYKM).

Создание таких материалов стало возможным благодаря разработке углеродных волокон, позволившим создавать конструкции с повышенной прочностью, термопрочностью и неограниченными вариациями свойств, YYKM значительно превосходит все другие углеграфитовые материалы.

Уникальные свойства YYKM- низкая плотность, высокие удельные прочностные характеристики, стойкость к абляции, сохранение прочностных свойств при температурах до 2000С-2500С, высокая ударная вязкость, стойкость в агрессивных средах - делают эти материалы незаменимыми для жаростойких конструкций, тормозных дисков, теплозащиты возвращаемых космических аппаратов, подшипников, насосов, работающих в агрессивных средах, формующих инструментов для горячего прессования порошков тугоплавких металлов и сплавов, тиглей для плавки цветных металлов, кроме того, YYKM перспективны для использования в медицине в качестве иплантантов для создания костей, для зубных протезов и т.д.

Суть процесса изготовления композиционных материалов класса углерод-углерод состоит в создании армирующего каркаса, введения в него матрицы с последующим уплотнением, карбонизацией и графитацией.

На исследования по созданию YYKM в разных странах были выделены крупные государственные субсидии, что обусловлено высокими ценами на углеродное волокно, сложностью технологии и длительностью производственного цикла 4.

Поэтому научно-исследовательские работы, обеспечивающие снижение материалоемкости и энергоемкости процессов – непременное условие дальнейшего плодотворного развития получения углеграфитовых материалов с новыми свойствами.

1. История развития производства углеграфитовых материалов.

Начало развития производства углеграфитовых материалов связано с открытием химических и электромагнитных способов получения электрической энергии.

В 1792 году А.Вольта разработал первую гальваническую батарею (Вольтов столб) и показал, что для отвода тока может быть использован древесный уголь. Его практическое применение относиться к 1830 году. В 1800 году Х.Дэви и в 1802 году В.В.Петров между двумя электродами из древесного угля получили электрическую дугу с электропитанием от батареи, разработанной А.Вольта. В 1841 году Р.Бунзен применил в гальванических элементах токоотводы (элементные угли) из натурального графита и ретортного угля.

После разработки элементов Ж.Лекранше (1863 г.) началось расширение производства элементных углей. В качестве источников тока в те годы эти элементы применяли в основном в постоянно расширявшейся телеграфной и телефонной связи. Ёе развитие обусловило выпуск углеродных микрофонных порошков и пластин.

Первое промышленное производство элементных углей было основано в Германии в 1855 году (Компания Конради). По мере роста выпуска гальванических батарей такие заводы начинают возникать в других странах – Англии, России, США, Франции, Японии.

В России производство элементных углей было впервые организовано А.И.Бюксенмейстером в 1878 году в г. Кинешме.

Новый этап в производстве изделий из углерода связан с созданием и началом практического использования турбо- и гидрогенераторов электрической энергии, а также электропривода. Их применение обусловило разработку и выпуск, начиная с семидесятых годов девятнадцатого столетия, угольных щеток, столбов для регуляторов напряжения, электродов для электронагрева и электрохимических производств.

Крупнейшей вехой в промышленном развитии углеграфитовых материалов явилось изобретение Г.Ачесоном (1896 г., США) и Жираром и Стрее (1893 г., Франция) на основе изучения работы печей по производству карбида кремния электрохимического способа получения искусственного графита. Это позволило перейти к производству электрографитированных электрощеток, повысить их электропроводность, улучшить смазывающие свойства и резко повысить коэффициент использования электрических машин.

С ростом производства электрических машин постоянно возникали проблемы, связанные с безыскровой работой электрощеток и сроком их службы. Это имело место при создании крупных электрогенераторов и электродвигателей для приводов прокатных станов, гребных винтов, и турбогенераторов судовых двигателей, генераторов для электролизеров, железнодорожных локомотивов.

Особо серьезные затруднения и необходимость в принятии принципиально новых решений возникли при создании электрощеток для авиации и космоса.

С увеличением масштабов производства электрической энергии разрабатываются и начинают выпускаться промышленностью дуговые источники света с угольными электродами (анодами и катодами). Впервые практическое использование дуговые лампы нашли в морских маяках в Англии в 1858 году. Промышленное производство электроприводов для дуговых ламп было организовано фирмами: А.Лессинг (1872 г.), а далее Сименс (1880 г.), Конради (1884 г.) – Германия, Ф.Карре (1887 г) - Франция.

Для стабилизации электрической дуги и снижения ее общего напряжения угольные аноды имели сердечники (фитили), состоявшие из смеси углеродных порошков со щелочными, а впоследствии с редкоземельными металлами (пламенные вещества). Электрическая дуга, называемая пламенной, имеет повышенный по сравнению с обычной дугой световой поток и изменяющийся в зависимости от состава фитиля световой спектр.

Кроме освещения помещений, городских улиц, морских маяков и кораблей дуговые лампы с угольными электродами заняли важное место в технике кино- и фотосъемок, а также в качестве кинопроектных ламп (с 1895 г.). В дальнейшем перед первой мировой войной Г.Бек сконструировал угольную дугу высокой интенсивности. Эффект высокой интенсивности угольной дуги создавался за счет введения в фитиль анода фторидов металлов редких земель. Широкое использование дуговых ламп с угольной дугой высокой интенсивности играли во второй мировой войне при отражении воздушных атак противника и в наступательных операциях.

С изобретением ксеноновых ламп производство кино- и прожекторных углей постепенно прекращается. В настоящее время прожекторные угли используются в основном только для целей береговой охраны. Такая же судьба постигла разработанные У.Сваном (1850 г.) и Г.А.Эдиссоном в США и А.И.Бюксенмейстером в России (1880 г.) углеродные волокна для ламп накаливания. Создание долгоживущих вольфрамовых нитей (1910 г.) вытеснило применение углеродных волокон и из этой области электротехники. В связи с большим за последние тридцать лет развитием исследований и производства углеродных волокон и особыми спектральными характеристиками источников света с углеродными нитями можно ожидать возобновления их использования в лампах накаливания. Некоторые работы в этом направлении в настоящее время проводятся в лабораторном масштабе.

Важнейшее направление использования электрической дуги – электрохимия. Началом ее становления явилось открытие термического воздействия электрического тока (Д.Джоуль, Э.Х.Ленц 1841-1844 г.г.). С этого времени разрабатываются процессы и организуются производства карбида кальция, фосфора, ферросплавов, электростали. При создании этих производств ограничениями широкомасштабного выпуска перечисленных очень энергоемких видов продукции были отсутствие необходимого количества электроэнергии и малая потребность в их применении.

В начале века из карбида кальция получали ацетилен для освещения фонарей в первых автомобилях и велосипедах.

Начиная с двадцатых годов этого столетия вместе с развитием промышленности минеральных удобрений, авиации, сварочной техники возникает необходимость в резком расширении этих отраслей промышленности. Применение электродов относительно малых диаметров (до 100 мм) с низкими плотностями тока (5-10 А/см2) серьезно ограничивало возможности использования электродуговых процессов. В первые годы выпуска карбида кальция дуговые печи оснащались самоспекающимися непрерывными электродами Зодеберга. В дальнейшем (1924 г.) эти электроды начали использоваться при электролизе алюминия (г. Вигеланд, Норвегия). Необходимо было создание для дуговых печей электродов диаметром 300-500 мм, а в дальнейшем до 700 мм, обеспечивающих их работу при токах 20-30 А/см2.Указанные показатели были достигнуты после строительства специализированных заводов по производству графитированных электродов. Крупные электродные заводы, начиная с двадцатых годов ХХ-го столетия, были построены в ряде стран. В Советском Союзе первый завод по выпуску графитированных электродов был пущен в 1934 году в г. Москве. В настоящее время мировое производство графитированных электродов составляет примерно 1,3 млн.т.

Вместе с получением искусственного графита создаются производства карбида кремния (карборунда), также основанные на выделении тепла путем прямого пропускания тока через подвергаемый тепловой обработке материал и специальные нагревательные сердечники, внешние оболочки (метод Ачесона).

Открытие М.Фарадеем законов электролиза позволило организовать в конце девятнадцатого века в относительно малых объемах получение каустической соды алюминия и другие электрохимические производства, в частности получение хлора.

Широкомасштабное развитие этих технологий обусловило строительство многотоннажных производств углеграфитовых электродных материалов и изделий.

Крупные заводы по выпуску алюминия, самого большого потребителя углеродной продукции, были построены после изобретений в 1886 году одновременно П.Эру (Франция) и Г.Холлом (США) метода его получения из криолитоглиноземного расплава и использования углеродного анода и катода

Первые промышленные электролизеры были пущены в г. Нойхаузене (Швейцария) и в г. Питербурге (США) по методу Холла, а угольные электроды для них изготовлены фирмой А.Лессинг (г. Нюрнберг, Германия) и заводом в г. Питсбурге. В дальнейшем почти все предприятия по производству алюминия строили собственные комплексы по изготовлению угольных электродов. Производство алюминия было начато также во Франции (1889 г.), Англии (1896г.), Германии (1898 г.) и Австрии (1899 г.). Особенно крупные алюминиевые заводы (общегодовой выпуск более 1 млн.т.) возникли в тридцатых-сороковых годах ХХ-го столетия, что связано в основном с развитием авиации.

Уникальные теплофизические, антикоррозийные и антифрикционные свойства конструкционных углеграфитовых материалов стимулировали, начиная с 30-40-х годов текущего столетия их применение.

Вначале они использовались в восстановительной зоне доменных печей, а будучи пропитанными искусственными смолами, в качестве теплообменников и хранилищ коррозийно-активных веществ.

1942 год в США совместно с Англией и 1946 год в СССР – начало использования химически чистого конструкционного графита в атомной промышленности.

Создание первых графитовых кладок реакторов в первую очередь как замедлителей нейтронов, явилось началом интенсивного развития научных исследований структуры и свойств углеграфитовых материалов, условий их формирования и создания новых технологий.

Это потребовало организации в передовых промышленных странах крупных научно-исследовательских центров по исследованию углерода и графита и широкого международного научного сотрудничества.

Развитие исследований и разработок графита для атомной промышленности вылилось в ряд других практических следствий. К их числу следует отнести использование высококачественных углеграфитовых материалов для тиглей, нагревателей, форм для производства полупроводникового кремния, германия, арсенида галлия.

В последние годы исключительное внимание для указанных целей уделяется изотропным видам углеграфитовых материалов, изготавливаемых методами изостатического прессования.

Уже во времена войны в Германии началось использование высокоплотных углеграфитовых материалов для газоструйных пулей ракетных двигателей. С тех пор все страны, занимающиеся производством ракет, проводят работы по созданию специальных видов углеграфитовых материалов, в том числе пирографитов и материалов системы углерод-углерод, для сопловых трактов двигателей, носовых частей ракет, камер сохранения топлива, тормозных дисков для самолетов.

Тромборезистентность по отношению к крови специальных видов углерода – легированного пирографита, стеклоуглерода, углерод-углерода – в сочетании с высокими удельными механическими характеристиками позволили с успехом применить их в медицине, в первую очередь для имплантируемого искусственного сердечного клапана и электродов для электростимуляции сердца.

Впереди другие объекты имплантирования этих материалов в организм человека.

В конце 50-х начале 60-х годов были разработаны промышленные технологии получения высокопрочных углеродных волокон и тканей, нетканых волокнистых материалов, гибких углеродных проводников с широким диапазоном электросопротивления. Они нашли применение в объектах вооружения, для тепловой защиты вакуумных электрических печей, для электродов химических источников тока, фильтрующих сред. Разработаны и выпускаются углепластики с особыми механическими свойствами, и постоянно возрастает объем их применения в самолетостроении, ракетной технике, в изготовлении спортивного инвентаря, в производстве химических источников тока. В перспективе следует ожидать их использования в автомобилестроении, в качестве несущих элементов строительных конструкций. Ограничениями в их применении являются остающаяся пока высокой стоимость и трудности автоматизации и механизации производства изделий из углепластиков. Дальнейшее развитие выпуска этих материалов реализуется в системе углерод-углерод, сочетающей уникальные механические и теплофизические характеристики.

Новым классом можно считать межслоевые (интеркалированные) соединения графита, коксов и углеродного волокна, позволяющие получить катоды для химических источников тока, гибкий терморасширенный графит для тепловых экранов, коррозионестойких уплотнений, новых видов неметаллических проводников, катализаторов, антифрикционных материалов.

Это далеко не полное перечисление направлений использования свидетельствует о том, что научно-технический потенциал страны в некоторой степени определяется уровнем развития производства углеграфитовых материалов. Их получение дорогостоящая задача, которая под силу только экономически развитым странам. Поэтому научно-исследовательские работы, обеспечивающие снижение материалоёмкости и энергоемкости процессов – непременное условие дальнейшего плодотворного развития получения углеграфитовых материалов с новыми свойствами 1.

Эта работа посвящена изучению состояния вопроса в области применения технологии получения и свойств углерод-углеродных композиционных материалов (YYKM).

Композиционными называют такие материалы, которые состоят из двух и более материалов или двух и более фаз и обладают лучшими характеристиками, чем простые однородные материалы.

Свойства композиционных материалов определяются, прежде всего, типом и свойствами наполнителя, распределенной в полимерной, металлической или другой матрице, и характером распределения 6.

YYKМ – это композиты, армирующим наполнителем для которых являются углеродные волокна, а матрицей – стеклоуглерод, пироуглерод или углерод на основе пеков.

В следующих главах будут описаны свойства и технологии производства углеродных волокон, матриц и углерод-углеродных композиционных материалов.
2. Углеродные волокна как армирующий наполнитель углерод-углеродных композиционных материалов.
Среди большого разнообразия термостойких высокопрочных волокнистых материалов углеродные волокна занимают особое место, так как обладают необычайно высокой удельной прочностью и значительным удельным модулем. Эти свойства обусловили широкое их применение их в качестве армирующего компонента в YYKM.


    1. Особенности структуры и свойств углеродных волокон.


Углеродные волокна относятся к переходным гомогенно-неграфитирующимся фертам углерода. В этом заключается исключительно важная специфика углеродоволокнистой формы. Если бы углерод в процессе высокотермической обработки, которая является обязательной операцией при получении волокна, подвергался графитации с образованием структуры графита, то, вероятно, волокно в значительной мере утратило бы ценные механические свойства.

Структурная ориентация углеродных волокнистых материалов наследуется от химических волокон, представляющие собой высокоориентированные, построенные из фибрилл системы, из которых получаются анизотропные углеродные волокна, при использовании в качестве исходных материалов олигомеров образуется изотропное волокно.

Рассмотренные выше структурные элементы присущи углеродным волокнистым материалам. В то же время им свойственна более сложная, особенно анизотропных волокон, структурная организация, включающая в себя фибриллы, специфические поры и характеризующаяся высокой ориентацией элементов структуры вдоль оси волокна. Помимо природы исходного органического волокна структура углеродных волокнистых материалов зависит от условий термообработки.

На ранней стадии карбонизации (600-900С) ароматизация углерода с образованием базисных плоскостей, которые имеют ограниченные размеры и беспорядочно расположены в массе материала.

По-видимому, большая часть углерода представлена линейными формами различной гибридизации. При температуре термообработки свыше 1000С происходит дальнейшая ароматизация с превращением линейных форм углерода в полисомные гексагональные системы.

Ориентация относится к одному из важнейших элементов структуры и является характерной особенностью углеродных волокнистых материалов. Установлено, что на механические свойства волокна влияют аксиальная (вдоль оси волокна) и радиальная ориентация. Осевая ориентация зависит от природы исходного сырья, температуры обработки, вытягивания в процессе получения углеродного волокна. С повышением температуры термообработки ориентация углеродного волокна возрастает, особенно при температуре свыше 2000С. Вытягивание волокна в процессе термообработки способствует ориентации базисных плоскостей. Для углеродных волокон, полученных при высоких температурах термообработки и вытягивания, характерна необычайно высокая аксиальная ориентация базисных плоскостей.

Элементарные нити неоднородны по поперечному сечению. Радиальная ориентация зависит от тех же факторов, что и аксиальная, поэтому она изменяется симбатно с последующей. Эта закономерность особенно проявляется для слоев, близлежащих к поверхности волокна. Наиболее типичным показателем радиальной неоднородности является в углеродном волокне ядра и оболочки. С увеличением температуры термообработки и уменьшением скорости нагревания совершенствуется структура и уменьшается градиент радиальной ориентации волокна.

На рисунке 1. приведена трехмерная модель высокомодульного углеродного волокна из полиакрилонитрила, на которой видна слоистая структура, напоминающая годичные кольца роста древесины, переплетные базисные ленты, расположенные под разными углами к оси волокна.

Радиальная ориентация заметно влияет на свойства углеродного волокна. При быстром охлаждении (закалке) волокна появляются остаточные напряжения, приводящие к образованию дефектов и искажению прочности волокна. Влияние радиальной ориентации становится особенно заметно при получении высокомодульного углеродного волокна, то есть при высоких температурах термообработки.

Следует отметить, что совершенствование структуры (осевой и радиальной ориентации) влечет за собой снижение активности поверхности (химического потенциала), уменьшение смачиваемости волокна связующими и снижение сдвиговой прочности композита.



Рис. 1. Структурная модель углеродного волокна фортафил 5- (схема)



Рис. 2. Модель фибриллярной структуры углеродного волокна по Руланду.

Одна из особенностей, которыми обладают углеродные волокна, заключается в том, что они состоят из фибрилл (рис. 2), ориентированных оси волокна. Фибриллы состоят из переплетных лент, разделены порами, ориентированными вдоль оси волокна. Углеродное волокно диаметром (7-10) 10і нм состоит из десятка тысяч фибрилл. В результате вытягивания и повышения температуры термообработки происходит выпрямление прочных участков базисных лент, улучшение их ориентации, рост размеров кристаллов и, как следствие этого, возрастание модуля упругости волокна.

Углеродные волокна представляют собой гетерогенную систему, состоящую из прямых базисных лент и пор. Агрегаты пакетов разделены гранями и порами диаметром 1нм. Цепи агрегатов, расположенные вдоль оси волокна, группируются в фибриллы длиной более 1·10інм, грани раздела между агрегатами кристаллов могут быть расположены под разными углами к оси волокна. Толщина пакетов, участвующих в построении фибрилл, согласно различным источникам, составляет 2-11нм, что соответствует 7-30 слоям.

Основой структуры углеродных волокон являются базисные ленты, ориентированные вдоль оси волокна. Турбостратные кристаллы (пакеты), представляют наиболее совершенную структурную организацию углеродного волокна. Размеры лент значительно превышают размеры пакетов. Ленты являются проходными, участвуя в построении большого числа пакетов, и образуют пространственный полимер. Ленты состоят из прямых участков, входящих в пакеты, и искривленных участков, заполняющих межнасечное пространство. Концы лент могут находиться внутри пакетов и в межнасечном пространстве, создавая дефектность структуры. Ленты и пакеты имеют большое число дефектов, через которые обеспечивается связь между пакетами с помощью линейных цепочек углерода различных гибридных состояний. Между лентами, находящимися вне пакетов, а также между пакетами имеются поры. Размеры фибрилл в поперечном направлении (их ширина) определяются наименьшими энергиями суммарных связей между первичными элементами структуры за счет пор и дефектов.

В зависимости от температуры термообработки изменяются размеры пакетов, число и размеры переходных лент, входящих в пакеты, соотношение между амфорными (линейными) формами и организованным углеродом, число и характер дефектов. Формирование структуры по мере повышения температуры термообработки определяет физико-механические свойства углеродных волокнистых материалов.

Одним из характерных элементов структуры углеродных волокон являются закрытые поры, которые могут занимать до 30% объема волокна. Поры имеют иглоподобную форму; они расположены между базисными плоскостями и ориентированы вдоль оси волокна. Средний размер пор: длина 20-30нм, диаметр 1-2нм. Гетерогенность углеродных волокнистых материалов обуславливается диаметром пор, расстоянием между ними, площадью поверхностей пор и общей пористостью.

Значение диаметра пор определяется высокотемпературной обработкой и мало зависит от природы исходного сырья.

С ростом температуры термообработки происходит уменьшение числа пор и их укрупнение, ведущее за собой увеличение расстояния между ними и уменьшение площади поверхности пор. Перераспределение числа и размеров пор происходит симбатно с увеличением размеров пакетов.

Как указывалось выше, углеродные волокнистые материалы относятся к неграфитирующимся формам углерода. Неграфитируемость углеродных волокнистых материалов некоторые исследователи связывают с тем, что в неграфитирующемся углероде содержатся более мелкие турбостратные кристаллы, базисные плоскости искривлены в большей степени, пакеты соединены более термостойкими формами углерода. [4]

Свойства углеродных волокнистых материалов.

Физико-механические и химические свойства углеродных волокон определяются видом исходного сырья, условиями получения, температурой и средой термообработки и другими факторами.

Морфология волокна.

К основным элементам морфологии относятся характер поперечного среза и поверхность волокна. В углеродных волокнах обычно воспроизводится форма поперечного среза исходного полимерного волокна. Форма поперечного среза полимерных волокон весьма разнообразна: круглая, бобовидная, изрезанная и др. Например, полиакрилонитрильное волокно куртель, получаемое солевым способом, имеет в поперечном срезе круглую форму. Для ПАН-волокна, изготовленного с применением водно-органических осадительных ванн, характерна бобовидная и фасолевидная форма поперечного среза. Углеродные волокна на их основе также имеют круглую или бобовидную форму в поперечном срезе.

Срез углеродных волокон, полученных из нефтяного пека, имеет строго круглую форму, так как исходное волокно формировалось из расплавленного пека через фильеры с круглым отверстием.

Из гидратцеллюлозного волокна получается углеродное волокно со звездообразной формой поперечного среза.

Отклонение формы поперечного среза от круглой затрудняет расчет истинной площади поперечного сечения и соответственно механических характеристик, особенно прочности волокна.

Поверхность углеродного волокна обуславливается теми же факторами, что и поперечный срез волокна. Так, волокно из пека имеет гладкую поверхность, а углеродное волокно из гидратцеллюлозы со звездообразной формой среза – неровную поверхность.

Изрезанная, бобовидная формы, свойственные большинству углеродных волокон, полученных из ПАН и гидратцеллюлозного волокна, затрудняют монолитность композиционного материала.

Следует отметить, что углеродные волокна на основе химических волокон характеризуются фибриллярной структурой, свойственной химическим волокнам и сохраняемой в углеродном волокне. Углеродные волокна, полученные из других видов сырья, являются изотропными по структуре, они аналогичны стеклянному волокну.

Неоднородность углеродного волокна обусловлена дефектами, заложенными в исходном волокне и возникающими дополнительно в процессе карбонизации и графитации.

Физико-химические свойства.

К важнейшим механическим показателям углеродных волокон относятся прочность, модуль упругости и деформация при разрушении.

Механические свойства углеродного волокна определяются структурной ориентацией углерода, при этом выявляется существенная аналогия между структурой и свойствами исходных химических волокон и углеродных волокон.

Для углеродных волокон характерен разброс механических свойств, что объясняется неоднородностью исходного волокна, усугубляющейся термообработкой.

С увеличением длины волокна возрастает суммарное число дефектов, приводящих к снижению прочности волокна. Уменьшение площади поперечного сечения способствует повышению прочности волокна, что также обусловлено количеством и размером дефектов. Наличие раковин и трещин является одной из причин пониженной прочности углеродного волокна. Они образуются под влиянием напряжений, возникающих при быстром охлаждении волокна или вследствие выгорания примесей.

Наличие фибрилл препятствует распространению и росту трещин, что приводит к самоупрочнению углеродного волокна.

Типичным дефектом является центральная полость, появляющаяся в результате нарушения технологического процесса термостабилизации (например, окислительной циклизации ПАН-волокна). В этом случае прочность снижается из-за уменьшения эффективной площади поперечного сечения волокна.

Отличительным качеством углеродных волокон является низкая плотность, поэтому по удельным значениям механических свойств (отношение прочности и модуля упругости к плотности) они превосходят многие известные волокна и материалы.

Механические характеристики типичных углеродных волокон на основе ПАН-волокна и жидкокристаллических пеков приведены в таблице 1.

Сведения, приводимые в литературе о физических свойствах углеродных волокон, достаточно противоречивы. В таблице 2 представлены наиболее характерные физические свойства углеродных волокон двух классов: карбонизированных и графитированных.

Плотность углеродного волокна, как правило, возрастает с температурой термообработки. Лишь на стадии предкристаллизационного состояния (t=1500-2000єС) плотность волокна несколько уменьшается.

Таблица 1. Механические свойства углеродных волокон.


Характеристика



Волокно на основе ПАН

Волокно на основе жидкокристаллических пеков

высоко-прочное

с высоким удлинением

высоко - модульное

Диаметр волокна, нм

(7-8)·10і

(6-7)·10і

(6-7)·10і

1·10

Модуль упругости при растяжении, Гпа

230240




230250


350 450



380690

Прочность при растяжении, ГПа

3,03,5

4,04,0

2,02,5

2,12,4

Разрывное удлинение

1,31,4

1,71,8

0,50,6



Плотность, кг/м3

1740-1780

1740-1780

17801840

2000

Удельная прочность, м

173196



230252



112136



105-120


Одним из характерных свойств углеродного волокна является развитая пористость и большая удельная поверхность. Размер пор колеблется в пределах 0,3-5 нм. Удельная поверхность у карбонизованных волокон составляет 0,5-120мІ/г. При графитации происходит закрытие пор и уменьшение поверхности.

Таблица 2. Типичные физические свойства углеродных волокон

Характеристика


Волокно

карбонизова-

нное

графитирова-

нное

Плотность, кг/м3.

1300─1650

1700─1900

Удельная поверхность, м3./т

0,3─1000

0,15─3

Температурный коэффициент линейного расширения, 10 /к

4

2

Удельная теплоемкость, кДж/ (кг·к)

0,66

О,66

Теплопроводность, Вт/(м·к)

0,8420,9

83,7─125,6

Удельное электрическое сопротивление. 10 Ом·м

0,4 ─70

0,003─ 0,6

Тангенс угла потерь (при 10 Гц)

0,17─ 0,42

0,25─ 0,33

Температура сублимации, є С

3000

3600

Гигроскопичность, %

0,1─ 10

1,0


Углеродные волокна имеют отрицательный температурный коэффициент линейного расширения вдоль оси волокна, приводящий к накоплению остаточных напряжений при тепловом воздействии на волокно. Максимальное отрицательное значение температурного коэффициента линейного расширения соответствует 0єС.

Углеродные волокна обладают способностью хорошо проводить вдоль оси волокна тепло и электричество. Наименьшей теплопроводностью обладают углеродные волокна, полученные из гидратцеллюлозы. Теплопроводность углеродного волокна из гидратцеллюлозы при комнатной температуре составляет 50-80 Вт/(м·к). Более высокую теплопроводность имеют углеродные волокна, полученные из ПАН-волокна. В этих волокнах высокая текстурированность элементов структуры способствует росту кристаллитов и, следовательно, теплопроводности. Углеродные волокна на основе ПАН-волокна имеют теплопроводность от 40 до 300 Вт/(м·к) в зависимости от температуры термообработки (1700ч3100К).

В отличие от углеродных ПАН-волокон волокна на основе мезофазного пека хорошо графитируются благодаря малодефектной полиароматической чешуйчатой структуре. После термообработки при высоких температурах пековые волокна приобретают теплопроводность, которая выше теплопроводности современных искусственных графитов, полученных с применением термомеханической обработки.

В процессе превращения органических волокон в углеродные осуществляется переход через все зоны проводимости. Исходные волокна являются диэлектриками; в процессе карбонизации электрическое сопротивление резко снижается, затем с повышением термообработки оно хотя и продолжает повышаться, но менее интенсивно. Карбонизованные волокна по типу проводимости относятся к полупроводникам, а графитирванные охватывают область от полупроводников до проводников, приближаясь по мере повышения температуры к последним.

Углеродные волокна обладают исключительно высокой теплостойкостью. В инертной среде до температуры ~1500єС прочность и модуль упругости углеродных волокон практически не изменяются. Предельная температура длительной эксплуатации углеродных волокнистых материалов в воздушной среде составляет 300-400єС (300єС- для карбонизированного волокна; 400єС- для графитированнного).

Углеродные волокна характеризуются высокой химической стойкостью к большинству агрессивных сред. Химическая стойкость углеродного волокна зависит от температуры термообработки, структуры и поверхности волокна, типа и частоты исходного сырья. В таблице 3 в качестве примера приведены данные о химической стойкости в различных агрессивных средах высокомодульного углеродного волокна на основе полиакрилонитрила.

Таблица 3. Химическая стойкость в агрессивных средах высокомодульного углеродного волокна на основе ПАН (продолжительное воздействие 257 суток).


Реагенты


Темпера-

тура, єС

Диаметр

волокна

103 нм

Прочность

волокна

107 Па

Модуль

упругости,

10 Па

Контрольный образец волокна



6,2

214,4

40,4

Кислота 50%-ная


50


5,9


188,2


41,4

соляная

серная

50

6,3

153,8

40,4

азотная

50

6,8

146,9

33,8

угольная

20

6,1

184,8

42,1

Кислота ортофосфорная

50

6,5

171,0

42,1

Кислота уксусная ледяная



6,1

196,5

43,4

Кислота сульфобензойная 32%-ная



6,5

205,5

44,1

Раствор гидрооксиднатрия 50%-ный

50

6,5

172,2

36,5


  1   2   3


Реферат по органической химии
Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации