Технология производства капота из карбонового волокна

Из приведенных  выше данных следует, что величина удельного  электрического сопротивления УВ, в  зависимости от условий получения, может меняться на девять порядков. 

Таблица 2.6 Средние значения теплофизических свойств У В

Свойства	Значения
Удельная  теплоемкость, 103 Дж/кг-К	0,8-1,7
Коэффициент теплопроводности, Вт/мК		0,8-1,6
Удельное  электрическое сопротивление, Ом м	1Л0"5-1,104
Теплостойкость  в кислороде воздуха,°С		до 450
Теплостойкость  в инертных средах,°С	до 3000

 

Теплофизические характеристики позволяют использовать УВ для нагревателей в достаточно широком температурном  диапазоне. Благодаря этим свойствам  еще в 1880 г.Т. Эдисон использовал их в качестве нити накаливания в первых электролампах, ему же принадлежит и первый патент на способ получению УВ путем карбонизации волокон целлюлозного происхождения.

По удельной электропроводности углеграфитовые тела, включая УВ, относятся  к полупроводникам. Причем угли и  угольные волокна по типу проводимости примыкают к органическим полупроводникам, а графит и графитированные волокна охватывают область от полупроводников до проводников.

Электрические свойства переходных форм углерода как органических полупроводников определяются делокализованными электронами. Однако следует подчеркнуть, что степень делокализации этих электронов может быть разной. Для изучения электрических свойств твердого тела совершенного строения широко используется квантово - механическая зонная теория.

Однако зонный механизм не может быть применен к УВ, так  как они не являются чистым углеродом  и содержат достаточно высокий процент  других атомов, а кроме того, в  них велика доля аморфного углерода. Поэтому для УВ наиболее вероятен перескоковый механизм проводимости, когда носители тока из одной области хорошей проводимости перескакивают в другую с активным преодолением энергетических барьеров, создаваемых плохо проводящими областями. По каждому из механизмов проводимости в роли носителей тока могут выступать как электроны, так и "дырки", обладающие разной величиной подвижности.

Основное влияние  на величину электрического сопротивления  УВ оказывает ТТО в процессе их получения. Независимо от исходного  сырья общим для всех является резкое (на 7-17 порядков) падение величины электрического сопротивления в  интервале температур 300 - 800°С, замедление падения при 800 - 900°С и плавный, почти горизонтальный, ход кривой при температурах выше 900 - 1200°С. При повышении ТТО с 1500 до 3000°С значения p_v изменяются не более чем на 40 - 60 % (рис.2.6). 

 

Еще более интересным является факт увеличения электрического сопротивления в процессе растяжения УВ при комнатной температуре. Для  большинства образцов УВ зависимость  р_х при удлинении более 0,1% носит линейный характер без заметного гистерезиса. Это говорит об изменении электросопротивления при заданных условиях нагружения за счет остаточной деформации надмолекулярной структуры волокна, что может иметь большое практическое значение и найти применение в процессе контроля износостойкости материала.

При растяжении УВ кристаллиты  удаляются друг от друга вследствие распрямления находящихся между  ними аморфных углеродных цепочек. Это  приводит к повышению потенциальных  барьеров в соответствии с рассмотренным  выше перескоковым механизмом электропроводности.

Таким образом, можно  считать установленным, что электропроводность УВ зависит не только от молекулярной структуры волокна, но в определенной степени и от его надмолекулярной  структуры.

Сорбционные свойства углеродных волокон. Сорбционно активные УВ - это новый класс сорбентов, обладающих специфическими, присущими только им свойствами (табл.2.7).

Как показано в табл.2.7, УВ характеризуются наличием в их структуре пористости. По этой структурной  характеристике и некоторым другим свойствам анизотропные УВ во многом схожи с гранулированными древесными углями. 

Таблица 2.7 Сравнительные свойства карбонизованных и графитированных УВ

Показатели	Карбонизованные УВ	Графитированные УВ
Плотность, г/см3	1,30-1,75	1,4 - 1,90
Удельная  поверхность, м2/г	0,3-120	0,15-6
Гидроскопичность, %	0,1-10	0,1-1,0
Прочность на разрыв, ГПа	2,5 - 8,0	1,5-3,5
Модуль  упругости, ГПа	30-300	300-800

 

Поры в УВ игловидные, ориентированные в основном вдоль  оси волокна. Диаметр пор зависит  от ТТО, а по характеру пористости УВ являются бидисперсными: до 66% объема пор приходится на макропоры и до 33% - на ультрамикропоры с радиусом 0,29.0,68 нм.

В УВ могут быть открытые поры, определяющие удельную поверхность, участвующую в сорбционных взаимодействиях, и закрытые поры, не доступные сорбенту. Углеродные волокна, полученные при невысоких ТТО, обладают некоторой пористостью, определяющей сорбционную емкость, величина которой зависит от условий их получения. Однако предельный сорбционный объем всех видов доступных пор составляет величину порядка 0,1.0,2 м7г (по бензолу). В графитированных волокнах поверхностная пористость невелика, поскольку при графитации происходит закупорка пор. Таким образом, собственно УВ практического значения в качестве сорбента не имеют, так как в зависимости от условий карбонизации они либо не обладают активной пористостью, либо она недостаточна для использования их в качестве эффективных адсорбентов. Для получения из УВ адсорбентов с высокой сорбционной емкостью их подвергают активации при высоких температурах (700 - 1200°С) в атмосфере окислительного газа, в частности воздуха, смеси его с кислородом, двуокиси углерода, водяного пара и т.п. [17].

Активированное углеродное волокно не является просто "волокнистым  активным углем", оно обладает высокофункциональными свойствами, которых нет у традиционного гранулированного и порошкообразного активированных углей [18]. Благодаря этому за последнее время резко увеличилось его использование в новейших отраслях промышленности (табл.2.8). 

Таблица 2.8 Особые достоинства активированного углеродного волокна

Достоинства	Эффект
Форма. Поставляется  в виде сукна, штапеля, жгута, ткани, фетра и др.	Способно изгибаться. Хорошо формуется. Легко перерабатывается в изделия различной формы
Химические  свойства. Высокая чистота, поскольку в качестве сырья используются искусственные волокна	Высокая электропроводность. Не содержит в качестве примесей металлы. Пригодно для применения с пищевыми продуктами
Адсорбционная способность. Малый диаметр  волокна - 5.10 мкм. Легкость получения  материала с высокой удельной поверхностью.	Скорость адсорбции  в 100 - 1000 раз выше, чем у гранулированного угля. Можно получать материал с 1000.2500 м2/г. Адсорбционная емкость в 1,5 - 10 раз больше, чем у гранулированного угля
Сопротивление газопроницанию. Фильтрующая способность 1/3 от уровня потери давления при гранулировании	Возможно использование  при высоковязких жидкостях. Обладает способностью улавливать пыль
Распределение размеров пор. Состоят из микропор с радиусом менее 100 А, поры выше 100 А практически отсутствуют	Состоят только из пор, необходимых для адсорбции  и реакции, поэтому коэффициент  заполнения улучшается

 

Свойства адсорбционно активных УВ в значительной степени зависят от вида исходного для карбонизации сырья (табл.2.9). 

Таблица 2.9 Особые качества различных активированных УВ

Сырье, волокна	Особые качества
Целлюлозные	Дешевые. Низкая прочность. Максимальная поверхность 1600 м2/г
Полиакрилонитрильные	Невозможность изготовить свыше 1000 м2/г. Высокая адсорбционная способность
На  основе фенольных смол	Возможность изготовления до 3000 м2/г. Простой процесс производства. Возможно изготовление в виде ткани
Поливинилспиртовые	Дешевые. Возможно изготовление 2000.2500 м2/г. Относительно высокая прочность
Пековые	Дешевые. Большое  количество примесей

 

В качестве примера  УК с высокими сорбционными свойствами можно привести японское УВ "Курэктив", полученное на основе фенольной смолы (табл.2.10).

Среди отечественных  сорбционно активных УВ можно выделить волокно "Актилен" (табл.2.11) 

 

Таблица 2.10. Характеристика сорбционно активного У В "Курэктив"

Удельная  поверхность, м2/г	Объем пор, мл/г	Разрывная нагрузка, кг/мм 2	Удлинение, %	Модуль упругости, кг/мм 2
2000	0,75	35	2,7	1250

 

Таблица 2.11. Характеристика сорбционно активного У В "Актилен"

Удельная  поверхность, м2/г	Динамическая  сорбци - онная активность, г/г	Скорость движения сорбционной волны, см/ч	Степень использования  сорбционной емкости слоя	Разрывная нагрузка, кг/мм "	Модуль упругости, кг/мм 2
до 1000	0,46	52	0.94	0	2500

 

Как видно из таблиц, активированные УВ обладают высокой сорбционной активностью, сочетающей с высокими физико-механическими характеристиками.

Типы  углеродных волокон

 

Углеродные волокна  относятся к углеграфитовым материалам и представляют собой группу волокон, характеризующихся высоким содержанием  углерода и получаемых чаще всего  путем термолиза органических веществ, главным образом полимерных волокнистых  материалов, в безокислительной среде при высоких температурах. Отметим, что известные полимерные волокна, содержащие включения частиц угольного наполнителя, введенные в его объем при формовании, как и волокна с нанесенным на поверхность углеродом, относятся не к углеродным, а к другим видам химических волокон (наподобие волокон, окрашенных пигментами в массе).

Из всего широкого класса УВ, в который входят и  высокоуглеродные графитовые волокна, иногда выделяют угольные волокна - материалы, полученные при более низкой конечной температуре термической обработки, чем графитовые, и соотношение углерода, водорода и кислорода в их составе того же порядка, что и, например, в древесных или ископаемых углях. Причем с повышением ТТО увеличивается содержание углерода и падает содержание водорода и кислорода.

С тех пор как  Эдисон и Свен в конце XIX века получили на основе волокон из целлюлозных материалов первые УВ, предназначенные для изготовления нитей накаливания угольных ламп, они много лет оставались единственным известным используемым в технике видом У В. После замены этих нитей вольфрамовой проволокой они длительное время не привлекали особого внимания исследователей. И лишь в конце 50-х годов XX века в связи с острой потребностью в жаростойких волокнах с существенно улучшенными свойствами начались работы по созданию угольных волокнистых материалов нового типа.

В настоящее время  уже известно такое большое количество разнообразных по составу, свойствам  и технологии получения или видам  используемого сырья УВ, и их ассортимент  столь быстро растет, что хотя бы простейшая систематизация УВ оказывается  необходимой.

На практике используют разнообразные варианты классификации У В. Изготовители - предприятия или фирмы - дают им чаще всего фирменные названия, как правило, совершенно не отражающие состава или свойств продуктов. Иногда под разными названиями выступают близкие по свойствам и составу материалы. При исследовании и применении волокнистых углеродных материалов исследователи в различных случаях в зависимости от целей систематизации классифицируют эти материалы по их элементному составу, структурным признакам, условиям получения, видам сырья, потребительским свойствам или областям применения.