волокна, углеродные иначе углеволокна (англ. carbon fibres или carbon filaments сокр., CF) — семейство конструкционных волокон, включающее разнообразные по способам получения, структуре, механическим характеристикам и назначению волокна, состоящие из углерода.

Описание

Начало современной индустрии углеволокон было положено Воттом, Джонсоном и Филлипсом, создавшим первые углеволокна в Англии в начале 1960-х гг. Они стали, по-видимому, первым наноструктурированным объектом, разработанным в качестве конструкционного материала. Характерные размеры структуры углеволокна находятся в области десятков и сотен нанометров, что определяет высокие механические свойства волокон.

Большая часть углеволокон получается из трех видов прекурсоров — полиакрилонитрила (ПАН), мезофазного пека и целлюлозы. Технологическая схема получения волокон из этих прекурсоров включает следующие основные стадии: получение волокна-прекурсора, стабилизацию прекурсора при относительно низкой температуре, карбонизацию (при температуре 1000–2000 оС) и графитацию (при температуре 2400–3000 оС).

Углеволокна условно делят по их механическим характеристикам на высокопрочные, с прочностью не ниже 4,0–4,4 ГПа, высокомодульные (с модулем выше 400 ГПа) и волокна с умеренно высоким модулем (250–400 ГПа). Важной операцией в производстве углеволокон является вытяжка, в результате которой достигается ориентация плоскостей кристаллитов вдоль оси волокна, благодаря чему удается получить высокомодульные волокна. В зависимости от типа волокна вытяжку осуществляют на разных стадиях технологического процесса: для ПАН-волокна на стадии подготовки волокон, для других типов — на стадиях карбонизации и графитации.

Углеволокна производят и используют в следующих формах:

  • непрерывное волокно, сгруппированное в тонкие (до 24 тыс.) и толстые (до 320 тыс.) жгуты;
  • углеткань;
  • маты или бумага из коротких волокон.
Основное применение углеволокна находят в армированных пластиках, в которых в наибольшей степени проявляются их механические свойства. Углепластики применяются в конструкциях авиационной и ракетно-космической техники, в спортивных изделиях, в конструкциях мостовых переходов и в других областях, где важными являются высокие величины прочности и модуля упругости, а также низкая плотность.

Второе важное применение волокон — углерод-углеродные композиты, используемые в ракетной технике (элементы сопла твердотопливных двигателей, теплозащита боевых частей и наиболее нагреваемых элементов многоразовых космических кораблей, тормозных устройств, работающих с поглощением больших величин кинетической энергии).

В дополнение к высоким механическим характеристикам углеволокна обладают комплексом ценных физико-химических свойств. Они имеют высокую тепло- и химическую стойкость: при тепловом воздействии до 1600–2000 оС в отсутствие кислорода механические характеристики волокон практически не изменяются, что определяет возможность их применения в составе теплозащитных композиционных материалов. Благодаря химической стойкости, углеволокна используют для фильтрации агрессивных сред, очистки газов и изготовления защитных костюмов. Изменяя условия термообработки, можно получать углеволокна с различными электрофизическими свойствами (удельное объемное электрическое сопротивление от 10–3 до 106 Ом·см) и использовать их в качестве разнообразных по назначению электронагревательных элементов (костюмы, отопление помещений, обогрев трубопроводов). Обработкой карбонизованных углеволокон парами воды при повышенной температуре получают материалы с большой активной поверхностью (до 1000 м2/г), являющиеся качественными сорбентами. Нанесение на углеволокна катализаторов позволяет создавать эффективные каталитические системы с развитой поверхностью.

Авторы

  • Милейко Сергей Тихонович
  • Назаров Виктор Геннадьевич

Источники

  1. Келли А. Инженерный триумф углеволокон // Композиты и Наноструктуры. 2009. №1. С. 38–49.
  2. Chawla K. K. Fibrous Materials. — Cambridge University Press, 1998. — 309 p.

Напишите нам