Углеродные волокна, их свойства и получение

     В отличие от стеклянных волокон углеродные волокна плохо смачиваются связующим (т. е обладают низкой поверхностной энергией), потому они подлежат травлению.

     В зависимости от исходного сырья  и технологии обработки можно  получать углеродные волокна с разными  характеристиками.

     Уникальным  свойством углеродных волокон также является их сравнительно высокая электропроводимость. Волокна можно использовать в качестве нагревательных элементов потому, что их электропроводимость близка к электропроводимости нихрома.

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

     В то время как при комнатных  температурах агрессивные жидкости не вызывают существенных изменений  углеродных волокон даже при длительных воздействиях (в течение года), при  повышенных температурах устойчивость углеродных волокон падает, в особенности к реагентам, обладающим окислительными свойствами (азотная кислота, гипохлорид натрия). Такие реагенты при повышенных температурах обуславливают окисление углеродных волокон, которое сопровождается разрушением аморфного углерода. При контакте с водными растворами кислот и щелочей происходит электрохимическое окисление углеродных волокон. Однако, за исключением случая поверхностного окисления, углеродные волокна обладают высокой химической стойкостью к воздействию кислот и щелочей. Кроме того, они имеют очень высокую теплостойкость: при тепловом воздействии вплоть до 1600—2000 °С в отсутствии кислорода механические показатели волокна не изменяются. /4/

     Активацией  углеродных волокон получают материалы с большой активной поверхностью (от 300 до 1000 м²/г), являющиеся прекрасными сорбентами. Нанесение на волокно катализаторов позволяет создавать каталитические системы с развитой поверхностью. Благодаря низкой плотности (от 1,7 до 1,9 г/м³) по удельному значению механических свойств углеродные волокна превосходят все известные жаростойкие волокнистые материалы. /2/

     Углеродные  волокна малогигроскопичные, но благодаря развитой поверхности они сорбируют водяные пары (до влажности порядка от 0,2 до 2 %), не меняя при этом своих физико-механических свойств.

     Углеродные  волокна обладают высокой атмосферостойкостью, устойчивостью к действию света и проникающей радиации. Углеродные волокна биостойки и биоинертны, жаростойки и трудногорючи. В инертной среде их можно эксплуатировать длительное время при температуре от 400 до 600 ⁰C; они выдерживают кратковременное воздействие температур от 800 до 2500 ⁰C. На воздухе температура эксплуатации не превышает от 300 до 400 ⁰C. /6/

     Таблица 3.2 – Некоторые физические свойства углеродных волокон

     Углеродные  волокна по термостойкости превосходят  многие известные материалы. В инертной среде их прочность и модуль упругости  не снижаются при температурах до 1500 ⁰С. Вместе с тем в воздушной среде термостойкость составляет лишь 300 ⁰С для карбонизованных и 400 ⁰С для графитированных волокон. В таблице 3.2 представлены некоторые физические свойства углеродных волокон. /3/

     Таблица 3.3 – Средние значения теплофизических свойств углеродных волокон

     В таблице 3.3 рассмотрены средние значения теплофизических свойств углеродных волокон.

       Колебания свойств углеродных  волокон объясняются существенными  различиями их структуры, наследуемой от исходных полимерных волокон и трансформирующейся в углеродное под влиянием термической обработки. Считается, что главными элементами  структуры углеродных волокон являются пакеты графитоподобных лентообразных слоев, разделенных щелевыми порами, или углеродные микрофибриллы диаметром 25 – 100 нм, объединенные во вторичные  структуры – фибриллы. Упруго-деформационные свойства углеродных волокон определяются аксиальной ориентацией этих элементов. Существует предположение также о микрокомпозитном строении углеродного волокна, в котором функцию матрицы, связывающей фибриллы, выполняет квазиаморфный углерод, заполняющий межфибриллярное пространство. Этот элемент структуры, благодаря способности легко деформироваться, низкой теплостойкости и малому модулю упругости, способствует равномерному распределению микронапряжений между фибриллами и их совместной работе при нагружении волокна, как это имеет место в макрокомпозите.

     Ограниченность  количественной информации о микроструктуре углеродных волокон, получаемой например, с помощью современной сканирующей электронной микроскопии, побудило авторов статьи /9/ использовать методы фрактальной физики, успешно применяемые для анализа структуры металлических сплавов, керамики, полимеров. На микрофотографиях поперечных сколов образцов углеродных волокон были видны все элементы их внутреннего строения. Обнаружена однородная непрерывная фаза – квазиматричный углерод, а также фибриллярные образования различной формы и размеров. /13/

     Сорбционно-активные углеродные волокна – это новый класс сорбентов, обладающих специфическими, присущими только им свойствами. Углеродные волокна характеризуются наличием в их структуре пористости. Поры в углеродных волокнах игловидные, ориентированные в основном вдоль оси волокна. По характеру пористости углеродные волокна являются бидисперсными: до 66 % объема пор приходится на макропоры и до 33 % - на ультрамикропоры с радиусом от 0,29 до 0,68 нм.

     В углеродных волокнах могут быть открытые поры, определяющие удельную поверхность, участвующую в сорбционных взаимодействиях, и закрытые поры, не доступные сорбенту.

     Собственно  углеродные волокна практического  значения в качестве сорбентов не имеют, так как в зависимости  от условий карбонизации они либо не обладают активной пористостью, либо она не достаточна для использования их в качестве эффективных адсорбентов.

     Для получения из углеродных волокон  адсорбентов с высокой сорбционной  емкостью их подвергают активации при  высоких температурах в атмосфере  окислительного газа, в частности  воздуха, смеси его с кислородом, двуокиси углерода, водяного пара и т.д. /3/

     Во  многих случаях углеродные волокна  можно комбинировать с другими  типами волокон – борными, стеклянными, органическими типа Келар 49, Армос, СВМ – для изготовления изделий, в которых совмещаются преимущества обоих типов волокон.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     4 Применение углеродных волокон 

     Разнообразие  областей применения углеродных волокон  базируется на широком спектре их специфических характеристик.

     Углеродные  волокна имеют исключительно  высокую теплостойкость. Это предопределяет возможность их применения в качестве тепловых экранов и теплоизоляционного материала в высокотемпературной технике. /1/

     Благодаря высокой химической стойкости углеродные волокна применяют для фильтрации агрессивных сред, очистки газов, в системах улавливания вредных выбросов и защиты органов дыхания. Здесь они поглощают самые разные вредные вещества — вплоть до паров ртути — в 3—4 раза быстрее, чем активированный уголь.

     Углеволокнистые ионообменники служат для очистки  воздуха, а также, выделения из технологических  газов и жидкостей ценных компонентов.

     Также углеродные волокна используют в  качестве разнообразных по назначению электронагревательных элементов, для изготовления термопар.

     Еще одно замечательное свойство материалов на основе углеродных 
  волокон   - их способность хорошо проводить электричество и тепло. Это 
позволяет делать на их основе сухие безинерционные электронагреватели в 
виде либо жестких пластин, либо мягких тканей. Они совершенно безопасны 
в пожарном отношении, так как тепловой поток равномерно распределяется 
по большой поверхности, и их можно использовать для обогревания 
помещений или, например, сидений автомобилей.

     Электропроводность  углеродных волокон позволяет бороться и с доставляющим немало хлопот статическим  электричеством: достаточно ввести в  материал (ткань, бумагу) всего от 0,02 до 1 % углеродного волокна, чтобы электрические заряды полностью «стекали» с этого материала, как после обработки антистатиком.

     Углеродные  материалы имеют и медицинские  области применения, живой организм их не отторгает. Поэтому если скрепить сломанную кость штифтом на основе углепластика, а поврежденное сухожилие  заменить легкой и прочной углеродной лентой, то организм не воспримет этот материал как чужеродный.

     А углеродные материалы, обладающие высокой  адсорбционной активностью, с успехом  применяют в виде повязок, тампонов и дренажей при лечении открытых ран и ожогов, для очистки крови и других биологических жидкостей, как лекарственное средство при отравлениях (благодаря их высокой способности сорбировать яды), как носители лекарственных и биологически активных веществ.

     Из  модернизированных углеродных волокон  изготовляют электроды, термопары, экраны, поглощающие электромагнитное излучение, изделия для электро- и радиотехники. На основе углеродных волокон получают жесткие и гибкие электронагреватели, обогреваемую одежду и обувь. Нетканые углеродные материалы служат высокотемпературной изоляцией технологических установок и трубопроводов.

     В настоящее время углеродные волокна  используют для термозащиты космических  кораблей, самолетов, ракет, изготовления их носовых частей, деталей двигателей. /14/

     Именно  в аэрокосмической технике очень  остро требуются легкие и прочные материалы (двери грузового отсека и корпус твердотопливного ускорителя у космических кораблей). Существенно, что в авиации процесс замены алюминия на углепластик происходит не только в США, но и в европейских странах, Бразилии./11/

     В конструкциях самолетов листовые панели на основе углеродной ленты вступили в спор со стеклопластиками, снижая вес конструкции на 15 %.

     В настоящее время уже созданы  самолеты, корпуса которых состоят  целиком из углепластика.

     Накопленный в авиации опыт может быть использован  и в автомобилестроении.

     До  недавнего времени считалось, что  углерод существует в трех формах — в виде алмаза, графита и аморфного углерода. Ученые же Института элементоорганических соединений АН СССР доказали, что есть и четвертый вариант — углерод с линейной структурой, получивший название карбин. По свойствам он — полупроводник. Но под действием света во много раз увеличивает электропроводность, благодаря чему может быть использован в фотоэлементах. А сегодня на основе карбина создано волокно витлан, незаменимое в восстановительной хирургии. Химики давно научились делать искусственные кровеносные сосуды из волокон. Но все они сохраняли недостаток естественных — в них образовывались тромбы. Сосуды же из витлана исключили эту опасность. /15/