Углерод углеродные композиционные материалы - файл

приобрести
скачать (150 kb.)



Углерод - углеродные композиционные материалы
На основе углеродных волокон делают самый теплостойкий углерод-углеродный
композит (УУКМ), в котором матрицей, склеивающей углеродные волокна, служит практически чистый углерод.
Углеродные волокна (УВ). Принципы получения углеродных волокон
Как известно, механическая прочность твердых тел определяется силой межатомной связи этого вещества. Для твердого тела механическая прочность и твердость пропорциональны. Из природных тел наибольшую твердость имеет алмаз, в котором имеются прочные межатомные связи углерод- углерод. Вот эти связи и можно использовать для создания высокопрочных волокон.
Связи углерод-углерод имеются не только в алмазе, но и в графите. Последний имеет слоистую структуру. Внутри слоев имеются прочные связи углерод-углерод, а между слоями межатомные связи углерод-углерод слабые, их называют Ван-дер-Ваальсовыми. Если чещуйки графита расположить вдоль волокон, то волокно получится прочное.
Вопрос о том, как осуществить эту ориентацию? Возможны несколько вариантов:
1. механически вырезать чешуйки и механически их ориентировать;
2. расплавить углерод и направленно закристаллизовать;
3. расплавить высокомолекулярные углеводороды и после их механической однонаправленной ориентации закристаллизовать, а затем удалить все атомы кроме углерода;
4. это же самое можно сделать не в расплаве, а из раствора углерода;
5. на подложку в виде какого-то волокна нанести ориентированно слои графита или высокомолекулярного углеводорода, а затем подложку оставить или удалить.
Первый и второй варианты теоретически возможны, но потребуют очень больших энергетических затрат, т.е. не технологичны и не реальны. А вот 3-й, 4-й и 5-й варианты как раз и используются в промышленности. Рассмотрим их более подробно.
Существуют два термина “графитовые волокна” и “углеродные волокна”. Иногда их путают и называют УВ. Термин “графитовые волокна” применяются к волокнам, подвергнутым температурной обработке при 1700 С, обладающих высокой степенью ориентации и имеющим высокий модуль упругости (345 ГПа). Термин “углеродные волокна” применим к волокнам, термообработанным при 1700 С и имеющим малую степень ориентации и модуль которых не превышает 345 ГПа.


Общепринятая технология производства углеродного волокна основана на термической обработке различных органических волокон:
1. гидратцеллюлозных (ГТЦ), (вискозные),
2. полиакрилонитрильных (ПАН),
3. пека (смола из нефти или каменного угля),
4. полиэфиров,
5. полиамидов (-NH
2
), полиимидов (=NH),
6. поливинилового спирта (ПВС),
7. поливинилдехлорида,
8. поли-п-фенилена,
9. фенольных смол и т.д.
Из всех видов исходных волокон наиболее пригодными по технологическим и экономическим параметрам оказались из
1. ГТЦ (гидратцеллюлозы, вискозные, (Красноярск), скупают во всем мире,
2. ПАН (полиакрилонирилов),
3. из пека (смолы нефти- и угольные) на сегодня они являются основным сырьем для изготовления УВ. УВ, полученные, из ГТЦ, были впервые исследованы еще в 1880 г. Они были использованы Т. Эдисоном в его первом патенте на лампы накаливания. Нить, которая была использована в лампе, получена в результате пиролиза хлопкового гидратцеллюлозного волокна. Нити были очень хрупкими, обладали высокой пористостью, что приводило к неравномерному их нагреву, а при высокой температуре они окислялись.
В последующие 30 лет для преодаления этих недостатков был предложен метод пиролитического нанесения покрытий на волокно (пиролиз – превращение органических соединений с одновременной деструкцией их под действием высокой температуры).
Приблизительно в то же время в лампах накаливания стали применять гибкую вольфрамовую проволоку и интерес к углеродным нитям угас и не возраждался ло середины
50-х годов ХХ столетия.
Термическая обработка исходных волокон в инертном газе при повышенной температуре 1000 С позволила получить волокна с пределом прочности при растяжении 275
МПа = 0,3 ГПа.
Возрождение интереса к УВ совпало с усиленными поисками армирующей составляющей, которую можно было бы использовать при создании ракет и ракетных двигателей. В 1959 г. фирма “Юнион карбайд” начала выпускать углеродные ткани , нетканные материалы и пряжу, исходным сырьем для которых служило гидратцеллюлозное
(ГТЦ, вискозное) волокно. Партия исходного материала подвергалась предварительному

нагреву до температуры 900 С в среде инертного газа, а затем проводился процесс карбонизации (обуглероживание) при температурах, превышающих 2500 С (интенсивная сублимация, Т
пл
3500 С при 100 тыс. ат.). Волокна, полученные этим методом, имели предел прочности при растяжении 0,3-0,9 ГПа, = 300-900 МПа.
В 1960 г. Бэкон врастил “усы” графита в дуге при Т = 3600 С и давлении 0,27 МПа
(2,7 ат ). Базовые плоскости кристаллитов ориентированы параллельно оси “усов” и предел прочности при растяжении составляет 20 ГПа (в 60 раз повысил) при модуле упругости Е =
690 ГПа. Теоретическое значение модуля упругости, оцененного параллельно основной плоскости кристалла графита составляет Е = 1000 ГПа.
Из исследований стало ясно, что структура графитированного волокна в основном определяется надмолекулярной структурой исходных волокон. Было показано , что модуль упругости при растяжении возрастает в 2-3 раза, если процессу корбонизации предшествовала вытяжка исходных нитей до 150%. Вытяжка уже графитированных нитей далее.
Об использовании полиакрилнитрила (ПАН) для производства УВ было впервые сообщено в 1961 г. Для повышения надмолекулярной ориентации вводилась стадия вытяжки
ПАН-волокна. Последующая стабилизация проводилась в атмосфере кислорода под нагрузкойц (смесь Аr + О
2
). Затем волокно карбонизировалось при температуре 1000-3500 С.
Механизм процесса пиролиза, структура и свойства УВ волокон из ПАН были тщательно изучены . Была показана возможность получения промышленного УВ из ПАН с модулем упругости 210-800 ГПа при пределе прочности при растяжении 1,6-3,3 ГПа (1966 г.).
Об использовании пеков при производстве УВ сообщили в 1965 г. Сначала волокна получали в основном формованием из расплавов изотропных пеков или аналогичных дешевых продуктов нефтепереработки. Эти волокна также подвергались окислению с последующей карбонизацией в инертной атмосфере при температуре 1000 С. Свойства таких изотропных волокон были весьма невысокими.
Новый метод получения УВ из пека: пек переводился в жидкокристаллическую
(мезоморфную) форму перед процессом прядения. Жидкокристаллическое состояние реализуется в процессе вытягивания в инертном газе при температуре 400-500 С. Пек, переведенный хотя бы частично в мезоморфную фазу, формуется, подвергается окислению и дальнейшей карбонизации при температуре 1000-3000 С. Волокна, полученные этим способом, обладают достаточно высокой степенью ориентации (анизотропией), что предопределено исходным, жидкокристаллическим состоянием. В 1975 г. получили УВ с модулем упругости 700 ГПа.


Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации