Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Учебное пособие 400159.doc
Скачиваний:
51
Добавлен:
30.04.2022
Размер:
1.63 Mб
Скачать

3.3.3. Углеродные волокна

Уникальным видом упрочняющих волокон являются уг­леродные волокна (УВ). Объем применения углеродных во­локон при изготовлении композиционных материалов постоян­но возрастает, что объясняется высоким уровнем их механиче­ских свойств. По удельным показателям углеродные волокна превосходят все жаростойкие волокна. Предел прочности высокомодульных УВ составляет 2,5...3,5 ГПа. Модуль упругости Е равен 200...700 ГПа при плотности (1,6... 1.8)·10 кг/м3. Плотность углеродных волокон ниже, чем графита (2260 кг/м). Это различие объясняется большой пористостью волокон, их менее совершенной структурой. Для углеродных волокон характерна высокая химическая стойкость к действию большинства агрессивных сред.

Благодаря высокому уровню механических свойств, низ­кой плотности, высокой теплостойкости и другим свойствам углеродные волокна нашли широкое применение при изготовле­нии композиционных материалов с полимерной, углеродной, керамической и металлической матрицами.

Производство углеродных волокон основано на нагреве полимеров в инертной среде и их термической деструкции. Во время разложения полимеров образуются летучие продукты и остается твердый коксовый остаток. Преобразование органиче­ских волокон в углеродные волокна связано с протеканием сложных реакций, кардинальным изменением структуры при сохранении элементов первоначального полимерного скелета.

Для получения УВ используют только волокнистые по­лимеры, не плавящиеся при термической обработке, обеспечи­вающие в конечном продукте высокий выход по углероду и вы­сокие механические свойства. Для получения УВ используют полиакрилонитрильные волокна (IIAH-B), гидратцеллюлозные волокна (вискозные ГЦ-В), богатые углеродом пеки (обыкно­венные и мезофазные) и органические волокна, полученные из фенольных смол.

Волокна ПАН и ГЦ являются основными видами сырья при производстве углеродных волокон. Из полиакрилонитрильных волокон получают высокопрочные высокомодульные УВ. Достоинствами этого вида сырья является большой выход по углероду и более простая технология (более низкая температу­ра нагрева материала). Недостаток заключается в выделении ядовитого вещества -синильной кислоты. Гидратцеллюлозные волокна лишены этого недостатка. Кроме того, они дешевле по сравнению с ПАН-волокнами.

Механические свойства углеродных волокон определяют­ся особенностями строения исходных волокон, технологией термической обработки, дефектами конечной структуры. В зави­симости от характера и плотности дефектов внутреннего и по­верхностного строения разброс показателей механических свойств углеродных волокон может быть весьма значительным.

При производстве композиционных материалов в основном используют углеродные волокна с высоким уровнем механиче­ских свойств.

Отличительной особенностью углеродных волокнистых материалов является их очень высокая теплостойкость. При на­гревании в инертной среде предел прочности и модуль упругости УВ не изменяются до температуры 1500 °С. С целью предо­хранения поверхности УВ от окисления волокна защищают по­крытиями из пироуглерода, оксидов, нитридов, тугоплавких кар­бидов.