Влияние температуры на формирование структуры углеродного волокна » Ремонт Строительство Интерьер

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Влияние температуры на формирование структуры углеродного волокна

24.06.2021

В зависимости от вида сырья применяют различные операции его обработки при получении углеродных волокон, для ПАН-волокон используют следующее:

1. Обработка для придания огнестойкости — окисление ПАН-волокон на воздухе в течение нескольких часов при температуре 200—300 °С.

2. Карбонизация при температуре 1000—1500 °С в инертной среде (обычно в атмосфере азота); рекомендуется проводить на жестких паковках с целью предотвращения усадки волокон.

3. Графитация при температурах до 3000 °С в инертной среде (как и в случае окисления, волокна находятся под нагрузкой — жесткая намотка УВ на бобине).

Окисление в воздушной среде придает волокнам огнестойкость в результате частичного окисления, межмолекулярного сшивания полимера ПАН и других процессов. В процессе карбонизации по мере роста температуры происходит газификация и удаление всех атомов органического полимера, за исключением атомов углерода. Образовавшиеся волокна состоят из фрагментов полициклических ароматических молекул, имеющих плоскую шестиугольную сотовую структуру. В процессе графитации в полимере накапливаются ароматические фрагменты. С повышением температуры графитации происходят процессы роста упорядоченных участков (кристаллов) в углеродных волокнах. В табл. 2.3 приведены данные, характеризующие влияние условий обработки (температуры и степени вытягивания УВ) на размер кристаллитов.

В проведен анализ влияния температуры конечной обработки на степень упорядочения атомов углерода на поверхности и в приповерхностном слое УВ на основе ПАН. Исследование состояния поверхностных атомов углерода было проведено на УВ, приготовленных при температурах, °С: 1250, 1500, 1750, 2000. Образцы УВ, полученные при 1250 °С, содержали на поверхности плохо упорядоченные углеродные структуры, далекие от структуры графита. Повышение температуры термообработки УВ способствовало формированию упорядоченных структур с sp2-гибридизацией и о-связями (графитовая структура) на поверхности УВ.

Исследованию взаимосвязи структурных особенностей и механических свойств УВ посвящено большое количество работ.

Наиболее изучены зависимости модуля упругости от структурных изменений в волокне, происходящих с ростом температуры обработки; E возрастает с повышением ориентации и размеров структурных элементов. Зависимость прочности волокна от температуры обработки проявляется неоднозначно для различных углеродных волокон. При температурах обработки от 400 до 1200-1500 °С наблюдается нарастание прочности практически для всех типов УВ, что связано с ростом совершенства структуры. Однако дальнейшее повышение температуры обработки может приводить к снижению прочностных свойств некоторых типов УВ. На рис. 2.2 приведена зависимость прочности при растяжении УВ от температуры конечной обработки для различных волокон. Как следует из приведенных данных, возрастание температуры обработки выше 1500 °С может и не приводить к снижению прочности УВ. Уменьшение прочности в процессе повышения температуры происходит вследствие образования пор при выделении газов в результате реакций неорганических примесных частиц с углеродом. Приведенные на рис. 2.2 данные позволяют сравнить зависимости прочности при растяжении от температуры обработки для УВ, полученных прядением в особо чистых условиях из отфильтрованного раствора. Примесные частицы сильно влияют на прочность при растяжении УВ. Таким образом, прочность УВ при растяжении в значительной степени определяется степенью чистоты исходных ПАН-волокон.

Кроме того, повышение температуры в процессе графитации может приводить к формированию структуры, при которой сдвиговое разрушение углеродных волокон облегчено. Однако для углеродных волокон на основе ПАН возникновению такой структуры препятствуют поперечные связи между плоскостями ароматического углерода, формирующиеся на стадии стабилизации ПАН-волокна. В процессе стабилизации структура ПАН-волокна должна быть превращена в трехмерную сшитую структуру. При этому обработка даже при очень высоких температурах не приводит к формированию трехмерной структуры графита, на что указывают более высокие, чем в идеальном кристалле графита, значения межслоевых расстояний.

Ряд работ посвящен анализу причин низкого по сравнению с теоретически рассчитанным значения прочности углеродных волокон. К основным причинам снижения прочности УВ относят наличие трещин, которые увеличиваются с ростом температуры графитации, размера кристаллитов и их степени разориентации относительно оси волокна.

Согласно, очагами разрушения являются разориентированные кристаллиты с очень низким модулем сдвига. В соответствии с этим механизмом разрушения параметрами, определяющими прочность волокон, следует считать длину кристаллитов Lc и угол их разориентации. В рамках такой модели прочность и предельное удлинение волокон соответственно составляют 7,5 ГПа и 1,9 %, что сравнимо с реальными значениями. В высокомодульных УВ на основе ПАН длина кристаллитов больше и, соответственно, влияние их разориентации на прочность существеннее. Согласно, теоретическая прочность высокомодульных волокон составляет 5 ГПа. Прочность УВ на основе пека не оценивалась. В этом случае в процессе графитации в связи с ростом длины кристаллитов ожидается снижение прочности.

Необходимо отметить, что в идеальном кристалле графита модуль сдвига очень низкий. Нарушение порядка атомной структуры приводит к возрастанию модуля сдвига и увеличению прочности УВ на основе ПАН. Количественных расчетов влияния дефектов структуры на модуль сдвига, однако, не существует.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: