Углеродное волокно — материал , состоящий из тонких нитей диаметром от 3 до 15 мкм , образованных преимущественно атомами углерода . Атомы углерода объединены в микроскопические кристаллы , выровненные параллельно друг другу; выравнивание кристаллов придаёт волокну большую прочность на растяжение. Углеродные волокна характеризуются высокой силой натяжения, низким удельным весом , низким коэффициентом температурного расширения и химической инертностью .

История

Впервые получение и применение углеродных волокон было предложено и запатентовано в 1880 г. американским изобретателем Эдисоном для нитей накаливания в электрических лампах . Эти волокна получались в результате пиролиза хлопкового или вискозного волокна и отличались высокой пористостью и хрупкостью.

Вторично интерес к углеродным волокнам появился, когда велись поиски материалов, пригодных для использования в качестве компонентов для изготовления ракетных двигателей . Углеродные волокна по своим качествам оказались одними из наиболее подходящих для такой роли армирующими материалами, поскольку они обладают высокой термостойкостью, хорошими теплоизоляционными свойствами, коррозионной стойкостью к воздействию газовых и жидких сред, высокими удельными прочностью и жёсткостью.

В 1958 году в США были получены углеродные волокна на основе вискозных волокон . При изготовлении углеродных волокон нового поколения применялась ступенчатая высокотемпературная обработка гидратцеллюлозных (ГТЦ) волокон (900 °C, 2500 °C), что позволило достичь значений предела прочности при растяжении 330—1030 М Па и модуля упругости 40 Г Па . Несколько позднее (в 1960 г.) была предложена технология производства коротких монокристаллических волокон («усов») графита с прочностью 20 ГПа и модулем упругости 690 ГПа. «Усы» выращивались в электрической дуге при температуре 3600 °C и давлении 0,27 МПа (2,7 атм). Совершенствованию этой технологии уделялось много времени и внимания на протяжении ряда лет, однако в настоящее время она применяется редко ввиду своей высокой стоимости по сравнению с другими методами получения углеродных волокон.

Почти в то же время в СССР и несколько позже, в 1961 году, в Японии были получены углеродные волокна на основе полиакрилонитрильных (ПАН) волокон. Характеристики первых углеродных волокон на основе ПАН были невысоки, но постепенно технология совершенствовалась и уже через 10 лет (к 1970 г.) были получены углеродные волокна на основе ПАН-волокон с пределом прочности 2070 МПа и модулем упругости 480 ГПа. Тогда же была показана возможность получения углеродных волокон по этой технологии с ещё более высокими механическими характеристиками: модулем упругости до 800 ГПа и пределом прочности более 3 ГПа. УВ на основе нефтяных пеков были получены в 1970 году также в Японии.

Чэнь и Чун ^{[ кто? ]} исследовали эффект углеродного волокна с добавкой кремнезема на усадку при высыхании бетона и пришли к выводу, что объёмное соотношение углеродного волокна в количестве 0,19 % (при средней длине волокна 5 мм и диаметре 10 мкм) с отношением микрокремнезема, равным 15 % от массы цемента, вызывало снижение усадки при высыхании до 84 %. Исследователи обнаружили, что использование углеродного волокна с микрокремнезёмом позволяет улучшить такие свойства, как прочность при сжатии и химическая стойкость .

Алхадиси Абдул Кадир и другие исследовали влияние добавки углеродного волокна на механические свойства лёгкого бетона . Волокно было добавлено в соотношении 0,5 %, 0,1 %, 1,5 % по объёму. Все составы характеризовалось повышенной прочностью на сжатие и прочностью на разрыв, а также сопротивлению изгибу около 30 %, 58 % и 35 %, соответственно, по сравнению с эталонной смесью .

Получение

УВ обычно получают термической обработкой химических или природных органических волокон, при которой в материале волокна остаются главным образом атомы углерода. Эта обработка состоит из нескольких этапов. Первый из них представляет собой окисление исходного ( полиакрилонитрильного , вискозного) волокна на воздухе при температуре 250 °C в течение 24 часов. В результате окисления образуются лестничные структуры, представленные на рис. 1. ^{[ прояснить ]} После окисления следует стадия карбонизации — нагрева волокна в среде азота или аргона при температурах от 800 до 1500 °C. В результате карбонизации происходит образование графитоподобных структур. Процесс термической обработки заканчивается графитизацией при температуре 1600-3000 °C, которая также проходит в инертной среде. В результате графитизации количество углерода в волокне доводится до 99 %. Помимо обычных органических волокон (чаще всего вискозных и полиакрилонитрильных), для получения УВ могут быть использованы специальные волокна из фенольных смол, лигнина, каменноугольных и нефтяных пеков .

Дополнительная переработка

Углеродные волокна могут выпускаться в разнообразном виде: штапелированные (резаные, короткие) нити , непрерывные нити, тканые и нетканые материалы. Наиболее распространённый вид продукции — жгуты, пряжа , ровинг , нетканые холсты. Изготовление всех видов текстильной продукции производится по обычным технологиям, так же, как для других видов волокон. Вид текстильной продукции определяется предполагаемым способом использования УВ в композиционном материале, точно так же, как и сам метод получения композита.

Основные методы получения композитов, армированных углеродными волокнами, являются обычными для волокнистых материалов: выкладка, литьё под давлением , пултрузия и другие. В настоящее время выпускается ряд видов УВ и УВМ, основные из которых перечислены ниже.

• На основе вискозных нитей и волокон:
  • нити, , ткани;
  • нетканый материал;
  • активированные сорбирующие ткани;
  • активированные сорбирующие нетканые материалы.
• На основе вискозных штапельных волокон:
  • волокна и нетканые материалы: карбонизованые и графитированые;
• На основе ПАН-нитей и жгутов:
  • и ткани ;
  • активированные сорбирующие волокна и нетканые материалы;
  • дисперсный порошок из размолотых волокон.
• На основе ПАН-волокон:
  • Волокна и нетканые материалы: карбонизованные и графитированные.

Свойства

УВ имеют исключительно высокую теплостойкость : при тепловом воздействии вплоть до 1600—2000 °С в отсутствие кислорода механические показатели волокна не изменяются. Это предопределяет возможность применения УВ в качестве тепловых экранов и теплоизоляционного материала в высокотемпературной технике. На основе УВ изготавливают углерод-углеродные композиты , которые отличаются высокой абляционной стойкостью.

УВ устойчивы к агрессивным химическим средам, однако окисляются при нагревании в присутствии кислорода. Их предельная температура эксплуатации в воздушной среде составляет 300—370 °С. Нанесение на УВ тонкого слоя карбидов, в частности, SiC или нитрида бора , позволяет в значительной мере устранить этот недостаток. Благодаря высокой химической стойкости УВ применяют для фильтрации агрессивных сред, очистки газов, изготовления защитных костюмов и др.

Изменяя условия термообработки, можно получить УВ с различными электрофизическими свойствами ( удельное объёмное электрическое сопротивление от 2⋅10 ⁻³ до 10 ⁶ Ом/см) и использовать их в качестве разнообразных по назначению электронагревательных элементов , для изготовления термопар и др.

Активацией УВ получают материалы с большой активной поверхностью (300—1500 м²/г), являющиеся прекрасными сорбентами . Нанесение на волокно катализаторов позволяет создавать каталитические системы с развитой поверхностью.

Обычно УВ имеют прочность порядка 0,5—1 ГПа и модуль 20—70 ГПа, а подвергнутые ориентационной вытяжке — прочность 2,5—3,5 ГПа ^{(для какой толщины волокна?)} и модуль 200—450 ГПа. Благодаря низкой плотности (1,7—1,9 г/см³) по удельному значению (отношение прочности и модуля к плотности) механических свойств лучшие УВ превосходят все известные жаростойкие волокнистые материалы. Удельная прочность УВ уступает удельной прочности стекловолокна и арамидных волокон . На основе высокопрочных и высокомодульных УВ с использованием полимерных связующих получают конструкционные углеродопласты . Разработаны композиционные материалы на основе УВ и керамических связующих, УВ и углеродной матрицы, а также УВ и металлов, способные выдерживать более жёсткие температурные воздействия, чем обычные пластики .

Применение

УВ применяют для армирования композиционных, теплозащитных, химостойких и других материалов в качестве наполнителей в различных видах углепластиков . Наиболее ёмкий рынок для УВ в настоящее время — производство первичных и вторичных структур в самолётах различных производителей, в том числе таких компаний как « Боинг » и « Эйрбус » (до 30 тонн на одно изделие). По причине резко возросшего спроса в 2004—2006 гг. на рынке наблюдался большой дефицит волокна, что привело к его резкому подорожанию.

Из УВ изготавливают электроды , термопары , экраны, поглощающие электромагнитное излучение, изделия для электро- и радиотехники . На основе УВ получают жёсткие и гибкие электронагреватели, в том числе ставшие популярными т. н. «карбоновые нагреватели», обогревающие одежду и обувь. Углеродный войлок — единственно возможная термоизоляция в вакуумных печах , работающих при температуре 1100 °C и выше. Благодаря химической инертности углеволокнистые материалы используют в качестве фильтрующих слоёв для очистки агрессивных жидкостей и газов от дисперсных примесей, а также в качестве уплотнителей и сальниковых набивок. УВА и углеволокнистые ионообменники служат для очистки воздуха, а также технологических газов и жидкостей, выделения из последних ценных компонентов, изготовления средств индивидуальной защиты органов дыхания.

Широкое применение находят УВА (в частности, ) в медицине для очистки крови и других биологических жидкостей. В специальных салфетках для лечения гнойных ран, ожогов и диабетических язв незаменима ткань АУТ-М, разработанная в начале 80-х годов и опробованная при боевых действиях в Афганистане . Как лекарственное средство применяют при отравлениях (благодаря высокой способности сорбировать яды (например, препарат «Белосорб», или АУТ-МИ на основе светлогорского сорбента), как носители лекарственных и биологически активных веществ .

УВ- катализаторы используют в высокотемпературных процессах неорганического и органического синтеза, а также для окисления содержащихся в газах примесей (СО до CO ₂ , SO ₂ до SO ₃ и др.). Широко применяется при изготовлении деталей кузова в автоспорте, а также в производстве спортивного инвентаря (клюшки, вёсла, лыжи, велосипедные рамы и компоненты, обувь) и т. д.

Углеволокно применяется в строительстве в различных системах внешнего армирования (СВА) — при его помощи усиливают железобетонные, металлические, каменные и деревянные конструктивные элементы зданий и сооружений с целью устранения последствий разрушения материала и коррозии арматуры в результате длительного воздействия природных факторов и агрессивных сред в процессе эксплуатации, а также для сейсмоусиления . Суть данного метода заключается в повышении прочности элементов, воспринимающих нагрузки в процессе эксплуатации зданий и сооружений, с помощью углеродных тканей, ламелей и сеток. Усиление строительных конструкций углеволокном повышает несущую способность без изменения структурной схемы объекта.

См. также

• Углеродные нанотрубки

Примечания

Ссылки

• С. Симамура . Углеродные волокна. М.: « Мир », 1987.
• Конкин А. А. Углеродные и другие жаростойкие волокнистые материалы, М., 1974.