Внутренние и внешние дефекты углеродных волокон

Оценка механических свойств базисного слоя графитовой структуры исходя из расчетов энергии межатомного взаимодействия и термофлуктуационной теории механического разрушения твердых тел дает следующие результаты: предельно достижимая прочность при комнатной температуре равна 101—117 ГПа, модуль упругости 960—1040 ГПа. Модуль упругости монокристалла графита равен 1060 ГПа, а прочность — 22,9 ГПа. В этом случае модуль упругости реальных УВ составляет 25—50 % от предельно достижимых значений, а прочность — 2—3 %. Согласно, теоретически максимальное значение прочности можно определить по формуле

где E — модуль упругости монокристалла графита; у — энергия разрушения; а — межатомное расстояние.

Теоретически максимальная прочность, рассчитанная по формуле (2.3), равна 100 ГПа. С учетом низкого модуля сдвига графитированного углерода и разориентации атомных плоскостей прочность волокон будет пропорциональна доле атомных слоев, ориентированных вдоль оси волокна. Тогда теоретическая прочность высокопрочных и высокомодульных волокон равна соответственно 70 и 25 ГПа. В этом случае в реальных высокомодульных волокнах (ов = 2,1 ГПа) удается реализовать лишь 3 %, а в лучших высокопрочных (ов = 5 ГПа) — 20 % от теоретически возможной прочности.

Низкое значение прочности УВ по сравнению с предельно достижимым объясняется наличием большого количества различных дефектов, различающихся по степени опасности и частоте.

Существует противоречивое мнение о влиянии пористости на прочность УВ, что объясняется зависимостью прочности УВ от характера пор (размера и формы) и их расположения в материале.

Известно, что фибриллы разделены межфибриллярным пространством (вытянутые поры длиной 20—30 нм и диаметром 1—2 нм, ориентированные вдоль оси волокна). Внутренний объем пор возрастает с ростом температуры обработки. Однако данная зависимость справедлива для УВ, полученных на основе ПАН-волокон обычной чистоты. Общий объем пор колеблется в пределах 5—30 % от объема волокна.

В УВ существуют открытые поры, определяющие удельную поверхность, и закрытые поры, недоступные сорбентам, которые могут быть оценены с помощью малоуглового рентгеновского структурного анализа.

Анализ связи внутренних дефектов графитированного УВ на основе ПАН и их прочности показал, что 90 % разрывов волокон связано с наличием пузырей и трещин, расположенных вдоль оси волокна. Установлена зависимость прочности УВ от диаметра пор: при уменьшении диаметра с 2*10в-6 до значений, меньших*10в-6 м, прочность УВ возрастает от 1500 до 2200 МПа. Образование внутренних трещин размером 0,5-3 мкм связано с дефектностью исходного ПАН-волокна.

Оценки показывают, что на прочность YB могут влиять трещины длиной не менее 5*10в-8 м. По данным, размер дефектов в плоскости разрушения не превышает нескольких нанометров. Очевидно, что такие дефекты могут приводить к снижению прочности YB в случае их объединения и превращения в пузырьки.

Поверхностные дефекты удаляют травлением волокна, в результате чего возрастает его прочность. Подобные дефекты встречаются на волокнах, полученных при конечной температуре карбонизации 1000—1500 °С. Как правило, в графитированных волокнах поверхностная пористость невелика, так как высокотемпературная обработка YB приводит к залечиванию поверхностных дефектов.