Технология производства капота из карбонового волокна

В этой связи представляет интерес структурная модель У В, предложенная Бернетом и Норром [9]. Ими показано, что структура УВ, полученных из разных полимеров, имеет много общего. Поэтому такая структура может быть использована для интерпретации структуры различных типов волокон (рис.2.4).

Надмолекулярная структура  УВ проявляется в макроструктуре волокна - морфологии, что во многом определяет его свойства, особенно при взаимодействии с матричным  материалом в композите.

Морфология  углеродных волокон

Морфология - внешнее  проявление структуры - в значительной степени зависит от морфологии исходного  сырья и условий термической  обработки. Структура и морфология исходных волокон, используемых для  получения УВ, служат своеобразной матрицей, в которой формируется  структура УВ. В этом случае наблюдается  эффект памяти внешнего проявления структуры. Поэтому в УВ обычно воспроизводится  форма поперечного среза исходных волокон.

Разнообразие форм поперечного сечения химических волокон очень велико. Поперечная форма волокна может задаваться как специально - для волокон, формуемых из расплава, капиллярных (полых волокон), квадратной или треугольной формы, для более плотной упаковки в пластике, так и зависеть от исходного сырья и методов формования, когда протекающие физико-химические процессы отражаются на форме поперечного сечения: круглая, бобовидная, звездообразная и т.д. Так, из гидратцеллюлозного волокна, имеющего неровную поверхность, получается УВ со звездообразной формой поперечного среза. Строго круглую поперечную форму среза имеют углеродные волокна, полученные из нефтяного пека, так как исходное волокно формовалось из расплавленного пека через фильеры с круглым отверстием. Для полиакрилонитрильного волокна "Куртель", вырабатываемого по солевому способу, характерна круглая форма поперечного среза. Углеродные волокна, полученные на основе полиакрилонитрильного волокна, сформованного с применением водно-органических ванн, имеют бобовидную или фасолеподобную форму поперечного среза. Отклонение формы поперечного среза от круглой затрудняет расчет истинной площади поперечного сечения и, соответственно, механических показателей волокна.

Углеродные волокна  также имеют различную поверхность, которая определяется теми же факторами, что и поперечный срез волокна. Волокно, полученное из пека, характеризуется  относительно гладкой поверхностью.

Волокно со звездообразной формой среза имеет неровную, изрезанную поверхность. Как правило, УВ, полученные из химических волокон, сформованных в  прядильной ванне, не имеют гладкой  поверхности.

Углеродные волокна, изготовленные на основе химических волокон, характеризуются одной, только им присущей структурно-морфологической  особенностью, - фибриллярной структурой, свойственной химическим волокнам; элементы этой структуры, хотя и в измененной форме, сохраняются в УВ. Именно поэтому  такие УВ обладают рядом ценных свойств. Углеродные волокна, полученные из других видов сырья, являются изотропными и по структуре аналогичны стеклянному волокну.

Морфология УВ выражается также & неоднородности плотности  по сечению волокна. Как уже отмечалось, изучение структуры поперечного  сечения УВ позволяет выделить поверхностную  оболочку, в которой кристаллиты  преимущественно ориентированы  вдоль оси волокна, и сердцевину со случайной ориентацией кристаллитов [8], где в наличии пористости, микро - и макродефекты. К наиболее типичным дефектам, в которых концентрируются напряжения при приложении внешних усилий, относятся трещины, инородные включения, наплывы и др., снижающие механические свойства волокон. Следует заметить, большое значение имеет расположение дефектов. Более опасными дефектами являют поверхностные, которые снижаются при поверхностной обработке УВ (см. поверхностная активация УВ). Менее опасными, например, при растяжении, являются трещины, ориентированные вдоль оси волокна.

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

Свойства  углеродных волокон

Физико-механические свойства УВ. Разнообразие областей применения УВ базируется на широком спектре  их специфических характеристик. Углеродным волокнам присущи экстремально высокие  значения модуля упругости и прочности, химическая и термическая стойкость, низкий коэффициент линейного термического расширения, специфические трибологические свойства, повышенные (по сравнению с другими волокнами) тепло - и электропроводность и ряд других ценных свойств. Комплекс полезных характеристик УВ различного ассортимента определяется и природой исходного материала, и разнообразием структурных особенностей [1].

Химическая стойкость. Важным свойством УВ, определяющим перспективность использования  подобных материалов во многих областях, является их высокая химическая стойкость  по отношению к различным агрессивным  реагентам. Это свойство УВ связано  с их структурными особенностями  и зависит в первую очередь  от температуры термообработки, вида используемого сырья, наличия введенных  элементов.

Воздействие ряда реагентов  на УВ с различными конечными температурами  термообработки рассмотрено в [10]. Химическую стойкость УВ в минеральных кислотах, щелочах и органических растворителях  при различных температурах и  продолжительностях обработки указанными реагентами оценивали по изменению  потери массы и прочности.

В то время как  при комнатных температурах агрессивные  жидкости не вызывают существенных изменений  УВ даже при длительных воздействиях (в течение года), при повышенных температурах устойчивость УВ падает, в особенности к реагентам, обладающим окислительными свойствами (азотная  кислота, гипохлорид натрия). Такие реагенты при повышенных температурах обуславливают окисление УВ, которое сопровождается разрушением аморфного углерода.

Влияние температуры  термообработки УВ на потерю массы  при обработке минеральными кислотами  трудно оценить в связи с неодинаковой зольностью образцов, имеющих различную  температуру термообработки. Однако очевидно, что с ростом температуры  устойчивость УВ к действию минеральных  реагентов увеличивается в связи  с возрастанием доли химически устойчивых связей в процессе термообработки и  совершенствованием структуры УВ, ограничивающим диффузию реагента.

Потеря массы УВ в процессе обработки кислотами  и щелочами обусловлена не только гидролитическим расщеплением угольного  вещества, но и взаимодействием с  ним и последующим растворением зольных компонентов, причем удаление зольных компонентов определяется диффузией реагентов в углеродную структуру волокна. Поэтому для  многозольного волокна с температурой термообработки 800°С потеря массы в растворе фтористоводородной кислоты, геометрические размеры молекулы которой минимальны в рассматриваемом ряду кислот, является наибольшей [11].

Химическая стойкость  УВ зависит от вида исходных полимеров, используемых для получения. Так, при  ТТО до 900°С химическая устойчивость УВ из гидратцевыше, чем из ПАН-волокна. Это объясняется более неоднородной морфологией последних.

Введение элементов  в состав УВ благодаря образованию  ими различных соединений с углеродом  и влиянию их на структуру УВ приводит к существенному изменению химической устойчивости.

Химические свойства элементоугольных волокон часто столь резко отличаются от УВ, что во многих случаях первые имеют свойства, совершенно не присущие УВ и зависящие от вида легирующего элемента и характера его соединения в структуре волокна.

Термические и теплофизические  свойства. Термические характеристики УВ зависят от их структур, характера  поверхности, ТТО и др. Коэффициент  линейного термического расширения может принимать не только положительные, но и отрицательные значения. Это  объясняют эффектом сокращения линейных и слоистых структур за счет образования  изгибных волн наряду с обычными тепловыми  колебаниями. Следует отметить, что  для материалов, не обладающих анизотропией свойств, используется аббревиатура TKJIP (термический коэффициент линейного  расширения). Мы используем KJITP для анизотропных материалов, где подчеркивается линейная направленность измерения (по основной оси).

В углеродных волокнах слои преимущественно ориентированы  вдоль волокна, т.е. аналогично графиту  в направлении, перпендикулярном главной  кристаллографической оси, что приводит к отрицательному значению КЛТР вдоль  волокна. В поперечном направлении  у углеродного волокна, как и  у графита, КЛТР вдоль кристаллографической оси положителен и больше абсолютного значения КЛТР волокна в продольном направлении [12].

С увеличением преимущественной ориентации слоев вдоль волокна  увеличивается его модуль упругости, следовательно, качественно о степени  преимущественной ориентации слоев  можно судить по величине модуля упругости [13]. В то же время с увеличением  степени преимущественной ориентации слоев вдоль волокна абсолютная величина отрицательного значения КЛТР должна возрастать, что подтверждается экспериментальными данными [14].

Экспериментально  полученные зависимости а_в= (Т) вдоль углеродных волокон отечественных марок (рис.2.5 и табл.2.5) демонстрируют их низкие коэффициенты линейного термического расширения. i КЛТР X 10⁶ 

Рис.2.5 Зависимость  коэффициента линейного термического расширения углеродных волокон: 1 - ВМН-4; 2 - ЛУ-3 

Таблица 2.5 Изменение КЛТР углеродного волокна в зависимости от температуры, а-10⁶

Характерной особенностью этих зависимостей является наличие  максимума отрицательных значений в интервале температур 260 - 280 К.

Углеродные волокна  по термостойкости превосходят многие известные материалы. В инертной среде их прочность и модуль упругости не снижаются при температурах до 1500°С. Вместе с тем в воздушной среде термостойкость составляет лишь 300°С для карбонизованных и 400°С для графитированных волокон [14].

Термостойкость УВ может быть повышена различными способами. Наиболее эффективными следует признать те, в результате которых на поверхности  образуется малопроницаемый защитный слой, содержащий тугоплавкие соединения, устойчивые к окислению. Предложены способы нанесения покрытий из нитрида  бора [15], карбида циркония [16] и др.

Разработаны УВ с  защитными покрытиями из пирокарбидов кремния и циркония, имеющие повышенную стойкость в воздушной среде в интервале температур 600 - 800°С и в атмосфере углекислого газа при 800 - 1000°С. Окисляемость У В с покрытиями из пирокарбидов на воздухе на порядок ниже, чем волокон без покрытия, а в атмосфере углекислого газа на два - три порядка ниже, чем на воздухе. Прочность волокон при температуре до 1000°С в атмосфере воздуха и углекислого разЈ практически не меняется.

Теплопроводность. При  одностороннем нагреве тела тепло  от нагретого участка переходит  к более холодным, что в итоге  приводит к выравниванию температуры. Математически процесс выравнивания температуры описывается уравнением Фурье: 

q=λ∆Т, 

где q - плотность потока тепла, ∆T - температурный градиент, λ - коэффициент пропорциональности или теплопроводности, знак минус показывает, что тепловой поток направлен в сторону меньших температур. Как и для графита, перенос тепла УВ носит фононный характер, то есть осуществляется главным образом коллективными колебаниями атомов. На теплопроводность УВ большое влияние оказывает их анизотропия, что приводит к высокой степени анизотропии его теплофизических свойств. Так, теплопроводность вдоль и поперек волокна может отличаться на порядок. Теплопроводность УВ зависит от исходного сырья и температуры термообработки, с возрастанием которой от 1500 до 2400°С резко увеличивается.

Электрические свойства углеродных волокон. Углеродные волокна, обладающие уникальными физико-механическими и электрофизическими свойствами, высокой жаростойкостью в инертной и восстановительных средах, представляют один из самых важных классов электропроводящих химических волокон. Основные теплофизические и электрические свойства УВ приведены в табл.2.6.