Углеродные волокна (УВ) относятся к переходным формам углерода, структурные элементы которого близки к графиту.

 Способ получения волокон из углерода - неплавкого и нерастворимого вещества - подсказан впервые Элисоном и Сваном еше в 1880 г. Им удалось, нагревая органические волокна в определенных условиях, не разрушать их, а превращать в углеродные.

Механические свойства углеродных волокон в значительной степени определяются их структурой, которая, в свою очередь, зависит от условий получения (температуры термообработки, состояния исходного сырья, присутствия легирующих модификаторов, а также наличия дефектов).

Углеродные волокна, относящиеся к классу углеграфитовых материалов, в структурном отношении характеризуются рядом особенностей, отличающих от массивных материалов соответствующего химического состава.

Кроме того, структура и свойства углеродных волокон зависят как от специфической формы материала (волокно), так и от ориентированной структуры исходных полимеров, из которых они получены.

Исследованию взаимосвязи структуры и механических свойств углеродных волокон посвящено значительное количество работ, тем не менее, до сих пор нет достаточно полного представления о характере влияния тех или иных параметров структуры на прочность УВ. Все это свидетельствует о сложности строения УВ и большом числе факторов, влияющих на их прочность.

Основной структурной единицей УВ является слой графита лентообразной формы. Угловое расположение слоев может значительно изменяться при нагреве и вытяжке - ориентация углеродных слоев становится более совершенной при увеличении температуры термообработки и вытяжке. Поры в структуре длинные, тонкие, с предпочтительной ориентацией вдоль оси волокна. Объемная доля микропор увеличивается с повышением температуры и уменьшается при вытяжке УВ. Эта модель изображена на рис. 1. Существуют также и другие модели структуры углеродных волокон.

Рис. 1. Схематичное изображение структуры углеродного волокна [1].

Разнообразие областей применения углеродных волокон обусловлено широким спектром их 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 углеродных волокон определяется природой исходного материала и разнообразием структурных особенностей.

Важным свойством УВ, определяющим перспективность использования подобных материалов во многих областях, является их высокая химическая стойкость по отношению к различным агрессивным реагентам.

Свойства различных углеродных волокон приведены в табл. 1-4, где γ - плотность; Тсубл - температура сублимации; Sуд- удельная поверхность; α - температурный коэффициент линейного расширения; ρ - удельное электрическое сопротивление; l - коэффициент теплопроводности; С - удельная теплоемкость.

Таблица 1. Некоторые свойства углеродных волокон.

Углеродное волокно

γ,

г/см3

Тсубл,

К

Sуд,м2/г

α×10-6,

К-1

ρ×10-5,

Ом×м

l,
Вт/(м
×К)

С,

кДж/(кг×К)

Карбонизо-ванное 1,4-1,8 3873 1-1000 1,5 1-70 0,8-1,6 0,8
Графитиро-ванное 1,8-2,15 3873 0,15-3 -1,5-2,5 0,3-1 1,7-2,0 0,6

 

Таблица 2. Углеродные волокна, выпускаемые ведущими зарубежными фирмами

Фирма Марка σ, МПа

Е,

ГПа

γ,

г/см3

Сырьё
Геркулес
Инкорпорейшн
графит Фиберз
Бизнес Сентер
Геркулес
AS6
IM6
НМ

4137
4378
2755

243
278
379

1,83

1,83

1,84

ПАН
ПAH
ПАН

Юнион Карбид
Корпорейшн

Торнел

Т-300

Т-500

Т-700

Р-75

Р-100

3200
3650
4550
2100
2200

228
241
248
520
724

1,70
1,79
1,81
2,00
2,15

ПАН
ПАН
ПАН
ПЕК
ПЕК

Торей Индастриз
Инкорпорейшн

Торейка

Т300

Т800

Т1000

М40

М50

М60

3500
5700
7200
2800
2500
3900

235
300
300
400
500
600

1,76
1,81
1,82
1,81
1,91
1,94

ПАН
ПАН
ПАН
ПЕК
ПЕК
ПЕК

Тохо

Бесфайт

ST-3

НМ-40

НМ-45

3М-500

4400
2600
2200
4800

240
400
450
300

1,77
1,83
1,90
1,77

ПАН
ПАН
ПАН
ПАН

Ниппон Карбон Карбалон
3-2000
3-4500

3260
3060

245

235

1,77
1,77

ПАН
ПАН

Мицубиси Рейэн Пирофил
М-1
Т-1

2600
3400

360
250

1,85
1,80

ПАН
ПАН

Селанез Плэитикс
энд Спешитиз
Компани
Целион
GY-70

1900
3690

530
2400

1,90
1,77

ПАН
ПАН

 

Таблица 3. Некоторые виды углеволокнистых материалов, разработанных в России [1].

Марка σ, МПа Е, ГПа γ, г/смЗ
Теплозащитные      
Тесьма      
Урал-15 1800 70 1.65
Урал-24 1500 90 1.71
Нить      
Урал-Н-15 1800 70 1.65
Урвл-Н-24 1500 90 1.71

Ткань, тканная лента

Разрывная нагрузка,
кг/5см
   
УУТ-2 130 20  
УТМ-8 50 30  
Урал-Т 150 30  
Лента Урал-Т-24 130 60  
Лагта Урал-ТМ-24 300 60  
Лента Урал-ТС/4-24 200 60  
С дополнительным
покрытием
  Вид покрытия
Урал-ПУ 160 Пироуглерод, 12%
Урал-ТК 160 Карбил кремния, 7 %
ТМП-3 50 Пироуглерод, 10%
ТКК-2 80 Карбид кремния, 3 %
Конструкционные нити      
УКН-5000 3300 230 1.72
УКН-5000П 3400 240 1.73
УКН-П-0,1 3700 230 1.74
УКН-2500П 3400 240 1.73
Конструкционные нити      
УКН В-400 4300 240 1.75
ВМН-4 2800 240 1.75
Гранит 300 3000 300 1.80
Гранит 40П-0,1 3700 400 1,82
Кулон-Н 3500 560 1,92
Лента      
ЛУП-01 2700 260 1.70
ЛУП-02 2700 260 1.70
Элур-01 2900 235 1.69
Элур-0,08 3000 235 1.70
ЛУП-24 2750 330 1.80
Кулон 2750 420 1.87

 

Таблица 4. Углеродные волокна специального назначения

Марка ρ, 10-5 Ом×м к.и., % Sуд, м2/г
Электропроводящие
УГЛЕН 43 35 -
ГРАЛЕН 19 -
ЭВЛОН 43 65 -
Поверхностно-
активные
     
АКТИЛЕН - - до 1500
ВАУЛЕН - - 800

 

Обозначения в таблице:

ρ - удельное электрическое сопротивление; к.и. – кислородный индекс; Sуд- удельная поверхность.

Литература:

  1. Мелешко А.И., Половников С.П. Углерод, углеродные волокна, углеродные композиты - М.: «САЙНС-ПРЕСС», 2007. - 192 с.