Вопросы для самопроверки

Углеродные волокна (УВ).

Огромное практическое значение среди углеродных материалов имеют углеродные волокна. Способ получения волокон из углерода – неплавкого и нерастворимого вещества – осуществлён впервые Эдисоном и Сваном. Им удалось, нагревая хлопковое волокно в определённых условиях, не разрушить его, а превратить в углеродное. Этот процесс термообработки без доступа воздуха называется пиролизом.

В конце 50-х годов ХХ столетия в США, Японии и СССР независимо друг от друга развернулись исследования, положившие начало создания промышленности углеродных волокнистых материалов (УВМ). В настоящее время для получения углеродных волокон в качестве сырья используют вискозные, ПАН-волокна, а также нефтяные и каменоугольные пеки. Основные требования к исходному сырью – это неплавкость волокон в условиях пиролиза и способность приобретать при термообработке необходимый комплекс свойств.

Углеродные волокна из пеков – самые дешёвые, т.к. пеки приблизительно в 100 раз дешевле, чем ПАН- и вискозные волокна. Да и выход готового УВ из пеков составляет 85 – 90 %, в то время, как из ПАН – волокна – 40 %, а из вискозного волокна – 15 – 20 %. Однако, само производство волокна из пеков достаточно сложно.

По свойствам все УВ подразделяются на высокопрочные, высокомодульные и низкомодульные. Это в первую очередь зависит от технологического режима термообработки, а затем – от свойств и природы исходного сырья. Высокопрочные волокна практически всегда получают из ПАН – волокон. Их прочность лежит в интервале от 2,4 до 5,4 ГПа, модуль упругости – 215 ¸ 255 ГПа. Высокомодульные углеродные волокна можно получать из любого сырья. Характеристики волокна, полученного из ПАН-волокон выше (s_р = 2,0 – 2,5 ГПа, Е_р = 343 ¸ 400 ГПа), чем у полученных из вискозного волокна (s_р = 2,0 – 2,14 ГПа, Е_р = 345 – 350 ГПа) или пеков (s_р = 2,1 ГПа, Е_р = 380 ГПа). Низкомодульные УВ имеют s_р = 1,1 – 1,2 ГПа, Е_р = 69 – 99 ГПа.

Для получения тканых изделий из УВ существует два способа: ткачество исходных волокон и последующая переработка тканых изделий в УВМ и другой способ – получение углеродных нитей или жгутов и их последующее ткачество.

УВМ используются главным образом как наполнители композиционных матералов. Это обусловлено их чрезвычайно высокими механическими свойствами. Высокая жёсткость УВ определяет низкие механические потери при динамических нагрузках: tgd механических потерь имеет значения порядка 10^-2 при частоте ~ 1 Гц и уменьшается с увеличение частоты нагружения и ростом модуля упругости волокна.

^- Для УВ характерны не только высокие значения упруго-прочностных показателей, но и их стабильность в широком интервале температур вплоть до 1700 ^оС. В присутствии окислителей термостойкость УВ снижается и колеблется в интервале 450 – 725 ^оС

^- Электрофизические свойства УВ в зависимости от типа исходного сырья и условий термообработки изменяются от диэлектрических до проводниковых: удельное объёмное электрическое сопротивление изменяется от 10¹⁴ до 10^-3 Ом^.см. При низких температурах термообработки УВ проявляют свойства полупроводников – ширина запрещённой зоны меньше 2 эВ. С увеличение температуры обработки ширина запрещённой зоны уменьшается до 0,02 эВ; при температуре термообработки 725 ^оС проводимость УВ приобретает «полуметаллический» характер. При высоких температурах термообработки электропроводность УВ приближается к электропроводности графита.

8.2. Углепластики (УП).

^- Основная область применения УВ – композиционные материалы, преимущественно, с полимерными матрицами. Вместе с тем УВ успешно применяются и в композиционных материалах с металлической (алюминиевой) и керамической матрицами. Из полимерных матриц чаще используются термореактивные (фенолоформальдегидные, эпоксидные, полиэфирные, полиамидные и др.). Изготовление углепластиков с термореактивными матрицами имеет некоторые отличия от изготовления, например, текстолита. Это связано с инертностью поверхности УВ, их жёсткостью и значительной пористостью. Так, обязательной операцией является предварительная обработка поверхности УВ с целью улучшения её смачиваемости растворами или расплавами связующих. Эту операцию обычно проводят на заводах-изготовителях УВ. Вопросы смачивания и пропитки УВ влияют на выбор связующих. Оптимальные связующие для УП – эпоксидные олигомеры, имеющие хорошую адгезию к УВ. Остальные термореактивные связующие используют в тех случаях, когда УП должен обладать специфическими свойствами. Так, УП на силиконовых и полиимидных связующих обладают повышенной термостойкостью, фуриловые и фурановые олигомеры обеспечивают повышенный коксовый остаток, фенолоформальдегидные связующие применяют для получения материалов с повышенной термо- и кислотостойкостью.

^- Термопластичные матрицы по сравнению с термореактивными имеют то приемущество, что могут перерабатываться в изделия относительно простыми и доступными методами – литьём под давлением, литьевым прессованием, экструзией и т.п. Эти методы позволяют изготавливать детали довольно сложной конфигурации с меньшими отходами и высокой производительностью. Углеродными волокнами в настоящее время наполняют литьевые композиции на основе полиолефинов, полистирола, полиамидов, полиацеталей, поликарбоната, политетрафторэтилена, полисульфона, сополимеров тетрафторэтилена с этиленом и винилиденфторидом и др. Основная область применения термопластичных углепластиков – замена цветных металлов в литых деталях сложной формы.

^- 8.3. Композиционные материалы на основе УВ и углеродной матрицы

(Углерод Углеродные КМ, УУКМ).

Композиты этого типа являются ещё одним подтверждением многообразных свойств углеродных материалов.

Известны два основных способа получения УУКМ. Первый основан на карбонизации углепластиков, второй способ заключается в том, что на УВ наносят пироуглерод.

По первому способу осуществляют термодеструкцию матрицы, сопровождающуюся усадкой и образованием большого количества пор. Для устранения этого недостатка операцию пропитка – карбонизация повторяют несколько раз. Повторные пропитки рекомендуется проводить пеками. Как правило, завершающей операцией является уплотнение композита пироуглеродом.

Второй способ позволяет получать монолитный материал. Это достигается в результате разложения (пиролиза) газообразных углеводородов на поверхности УВ при температуре порядка 1000 – 1100 ^оС. Из УВ образуют трёх – четырёхмерные сборки. Скорость газового потока и повышение давления благоприятно сказывается на свойствах УУКМ. Эти материалы обладают высокой теплостойкостью, - в инертной атмосфере прочность остаётся неизменной вплоть до 3000 ^оС, модуль упругости практически не зависит от температуры испытаний. Это особенно важно при работе тормозной системы современных самолётов: там развиваются температуры до 1000 – 1500 ^оС. Таким образом, без УУКМ была бы невозможна современная реактивная авиация. Углепластики и УУКМ характеризуются высокой химической, эрозионной и радиационной стойкостью, электропроводностью, стойкостью к термическим ударам, коррозионной стойкостью в нефтепродуктах и агрессивных средах, малыми плотностью и ТКЛР.

8.4. Электроугольные изделия - щётки электрических машин, электроды для прожекторов, электроды для дуговых электрических печей и электролитических ванн, аноды гальванических элементов, угольные порошки для микрофонов, резисторы и др. изготавливают из графита, сажи и антрацита.

Щётки служат для образования скользящего контакта между неподвижной и вращающейся частями электрической машины, т.е. для подвода или отвода тока к коллектору или контактным кольцам. Различают щётки угольно-графитовые (УГ), графитовые (Г), электрографитированные, т.е. подвергнутые термической электрообработке – графитированию (ЭГ) и медно-графитовые – с содержание металлической меди (М и МГ), иногда дополнительно – олова и серебра. Щётки типа М и МГ обладают особенно малым электрическим сопротивлением.

Таблица 11

Типы щёток	Удельное сопротивление ρ, мкОм^.м	Допустимая плотность тока, МА/м^2	Допустимая линейная скорость, м/с
Т и УГ	18 – 60	6 – 8	10 - 15
Г	10 – 46	7 – 11	12 - 25
ЭГ	10 – 45	9 – 11	25 - 45
М и МГ	0,05 – 1,20	12 – 20	12 - 25

1. Алотропные формы углерода, причины различия их свойств.

2. Фуллерены, нанотрубки, пипоиды – их структура, возможные области применения.

3. Углеродные волокна: источники сырья, свойства, области применения.

4. Углепластики: основные матрицы, области применения.

5. Композиционные материалы типа «углерод – углерод». Свойства, основные области применения.

6. Каковы электротехнические применения углеродсодержащих материалов?

Дата добавления: 2014-12-26