Современное представление о строении углеродного волокна » Ремонт Строительство Интерьер

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Современное представление о строении углеродного волокна

24.06.2021

Известно, что углеродные волокна относятся к переходным формам углерода. Несмотря на то, что термодинамически более устойчиво кристаллическое состояние углерода (известны три аллотропические формы, отличающиеся кристаллической ячейкой: алмаз, графит и карбин) углерода в переходных формах стабилен и может существовать при комнатной температуре бесконечно долго в связи с высокими кинетическими барьерами. Исключительно важно, что УВ на основе ПАН относятся к гомогенно-неграфитизирующимся формам углерода. Именно это обстоятельство позволяет использовать высокотемпературную обработку при получении волокна, которая не приводит к образованию структуры графита и, как следствие, снижению прочностных свойств УВ.

Высокие механические свойства УВ определяются особенностями структуры. Известны три основных элемента структуры углеродных волокон:

- турбостратная структура (TC);

- аморфный углерод (АУ);

- надатомные образования высшего порядка (фибриллы).

Основа TC - базисные плоскости, строение которых аналогично графитовым плоскостям. Они состоят из шестизвенных ароматических циклов (гексагонов) атомов углерода с тем же межплоскостным расстоянием (0,1415 нм), что и в плоскостях графита. Определенное число плоскостей, соединяясь между собой, образует пакеты (кристаллиты). В отличие от идеального графита в пакетах плоскости расположены под разными углами друг к другу. Межплоскостное расстояние в пакетах составляет 0,336—0,343 нм (в графите d = 0,33538 нм). Форма, размер и степень трехмерной упорядоченности кристаллита характеризуются толщиной пакета Lс, определяемой числом плоскостей в пакете, и шириной углеродного слоя Zа, а также межшюскостным расстоянием d002. Данные характеристики определяют на основании формул Уоррена:

где Л - длина волны рентгеновского излучения; d002, d110 - угловая полуширина линий; ф - брэгговский угол.

УВ характеризуются текстурой, т.е. различной степенью ориентации слоев вдоль оси волокна.

Кристаллиты состоят из атомов углерода с sp2 (графитовая структура) гибридизацией атомных орбит. Аморфная часть содержит атомы с sp3-гибридизацией.

Кристаллы и аморфные фракции углерода не изолированы, а химически связаны между собой — образуют полимерные структуры высшего порядка (фибриллы). Анализу строения фибрилл уделено много внимания. Согласно в построении фибрилл могут принимать участие целиком турбостратные структуры, а не только отдельные ароматические слои. Кристаллиты посредством аморфного углерода различных гибридных форм через отдельные базисные плоскости связаны между собой и образуют пространственный полимер.

В углеродные волокна на основе полиакрилонитрила и гидратцеллюлозы рассмотрены как карболенточные ориентированные аморфно-кристаллические полимеры, основной структурный фрагмент которых — углеродная лента различной степени дефектности. Одна лента, проходя последовательно через несколько соседних пачек, осуществляет связь между кристаллитами и формирует таким образом сетчатую структуру. Ленты и пачки изогнуты, и их оси могут отклоняться от оси волокна, составляя азимутальную составляющую текстуры. С ростом температуры и деформации обработки увеличиваются в определенных пределах показатели структуры Lc, La/, La//, уменьшается межслоевое расстояние d002, но трехмерное упорядочение без введения каталитических добавок не наблюдается.

Авторы работы предполагают, что связь между кристаллитами осуществляется не аморфным углеродом, а двухмерным образованием — углеродной лентой различной степени дефектности.

Анализ тонкого строения УВ выявил наличие поперечного полосообразного контраста, который хорошо заметен в темнопольном электронно-микроскопическом режиме и представляет собой чередующиеся по длине волокна поперечные светлые и темные полосы. Так как большинство YB имеет микрофибриллярную структуру, то объяснение поперечного полосообразного контраста связывают с ее особенностями и основывают как на предположении о наличии границ наклона и кручения вдоль микрофибриллы, так и на муаровом эффекте. Картины муара могут возникать или от перекрытия одной микрофибриллы другой, или от одной изогнутой микрофибриллы, в которой направление базисных плоскостей изменяется с глубиной. Подтвердить последнее предположение трудно из-за сложностей, связанных с выделением отдельной микрофибриллы и получением ее поперечного сечения, пригодного для электронно-микроскопического исследования.

В работе с целью анализа причин полосообразного контраста было взято полое микроволокно с тонкой стенкой, в которой базисные плоскости заведомо изогнуты, т.е. их направление изменяется по глубине УВ. Темнопольные электронно-микроскопические исследования (002) позволили выявить поперечный полосообразный контраст, который может быть связан только с интерференцией от перекрывающихся внутри стенки волокна базисных плоскостей с углом отражения, близким брэгговскому. На основе исследований авторы сделали вывод, что наличие в УВ поперечного полосообразного контраста связано с изогнутостью микрофибриллы, в которой направление базисных плоскостей изменяется с глубиной.

На основе исследований тонкого строения УВ были предложены ряд моделей УВ. На рис. 2.1 приведена трехмерная модель Джонсона для высокопрочных УВ на основе ПАН, основанная на данных, полученных методом просвечивающей электронной микроскопии. Ранее считали, что атомные слои плоские, однако исследования последних лет доказывают существование трубчатых графитовых структур (см. рис. 2.1). Кривизна и дефектность цилиндрических структур определяются условиями термообработки волокон при температуре графитации.
Современное представление о строении углеродного волокна

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: