Свойства и приложения на въглеродните влакна
Въглеродните влакна заемат специално място сред топлоустойчивите влакна. И това не е случайно, тъй като по отношение на техническите и икономическите предпоставки, механичните показатели и особено техните специфични стойности, въглеродните влакна превъзхождат много топлоустойчиви материали. Те съчетават топлинна устойчивост с високи механични свойства и феноменални електрически свойства. Въглеродните влакна принадлежат към обширна група въглеродни графитни тела. Структурата на ударна вълна се различава от структурата на монокристал от графит по взаимното разположение на базовите равнини (ориентация, разстояние между равнините, тяхното въртене спрямо оста, перпендикулярна на равнината, повторяемост на структурата по оста ).
Изследванията на структурата на въглеводородите позволяват да се говори за специална влакнеста форма на въглерод, чиято структура се определя преди всичко от особеностите на процеса на получаване на HC. Важен фактор в този случай е, че въпреки че този процес води до пълно пренареждане на молекулярната и първичната супрамолекулни структури на оригиналните влакна, той се появява в твърдата фаза и следователно редица морфологични характеристики на оригиналното влакно се наследяват от HC . По този начин HC практически запазва формата на напречното сечение, структурата на обвивката на сърцевината и фибриларната структура, характерна за оригиналното влакно. Въпреки наличието на фибрили както в оригиналния полимер, така и в въглеродните влакна, последните се различават по своята структура: фибрилите в CF се състоят от лентовидни базови равнини. В зависимост от формата на напречното сечение на SW и степента на съвършенство на неговата структура, формата, размерът и относителното положение на фибрилите в напречното сечение на влакната могат да се различават. Въглеводородите на основата на смола се характеризират с произволно разположение на краищата на фибрилите в напречното сечение; влакната от мезофазната стъпка обаче се характеризират с относително висока степен на подреждане. Фибрилите, разположени в близост до повърхността (в обвивката) от високоякостни и високомодулни CF-базирани на PAN са по правило успоредни на тази повърхност, докато подреждането на фибрилите в сърцевината на влакното е значително по-малко и се увеличава с увеличаване в температурата на обработка.
Ориентираните области на микрофибрилите се състоят от пакети с паралелни базови слоеве и образуват така наречения кристалит, който по структура е подобен на графитен кристал, но се различава от него по съвършенство на опаковането. Кристалитът се характеризира с размерите на базалната равнина по (La c) и напречно (La х ) оста на влакната, дебелината на пакета от базови равнини (Lc), разстоянието между равнините (d), както и фактора на ориентация на кристалита (Z) и средния ъгъл на тяхната неправилна ориентация спрямо оста на влакната. Степента на съвършенство на структурата на кристалитите е пропорционална на техния размер и фактор на ориентация и е обратно пропорционална на междупланарното разстояние и ъгъла на дезориентация.
Не малко значение при структурирането има и едновременният поток на пиролиза в различни части на влакното; в същото време онези части от структурата, в които процесът на трансформация е инхибиран на този етап, играят ролята на един вид матрица, която осигурява хода на реакциите, без да разрушава влакното като цяло, както и неговата фибриларна структура. Прилагането на надлъжни сили върху влакното по време на термична обработка, водещо до промяна в неговото свиване, е придружено от забележимо подобрение в кристалната структура на CF.
Предложени са различни системи за класификация на въглеродни влакнести материали: чрез температура на обработка и съдържание на въглерод; чрез заявление. Според температурата на обработка и съдържанието на въглерод материалите от въглеродни влакна се разделят на:
- частично газирани (до 500 ° C);
Според употребата на HC, тя може да бъде разделена на четири вида:
- с контролирани физико-химични свойства;
- с регулируеми електрофизични свойства.
В допълнение, HCs се подразделят на високомодулни и нискомодулни.
HCs са най-отдалечените сред органичните полимерни влакна с различна твърдост на гръбначния стълб и поради тази причина имат набор от изключително интересни химични и физични свойства. Тъй като твърдостта на връзките на макромолекулата (и на полимерната верига като цяло) се увеличава в тази серия, се увеличава модулът на еластичност, теоретичните стойности на якост, температури на преминаване на стъклото и топене, химическа устойчивост на влакната и тяхната разтворимост намалява. Практическият интерес е свързан с възможността за изпълнение на тези свойства.
Еластично - якостни свойства.Според изчисленията модулът на еластичност на въглеводородите може да достигне 1000 GPa, а якостта е 46 GPa. Сравнението на изчислените стойности с действително допустимите показва, че максималните стойности на модула на еластичност на SW са сравними с максимално постижимите. В зависимост от вида на суровината и условията за получаване на въглеводороди, техният модул на еластичност може да варира в много широк диапазон: от 69 GPa до 800 GPa. Възможността за получаване на CF с модул на еластичност, близък до теоретичния, се обяснява с високата степен на ориентация и съвършенство на структурата на тези влакна. По отношение на твърдостта си CF значително надхвърлят почти всички армиращи влакнести материали, малко по-ниски от някои монокристали на мустаци.