Углеродное волокно — материал, состоящий из тонких нитей диаметром от 5 до 15 микрон, образованных преимущественно атомами углерода. Атомы углерода объединены в микроскопические кристаллы, выровненные параллельно друг другу. Выравнивание кристаллов придает волокнубольшую прочность на растяжение. Углеродные волокна характеризуютсявысокой силой натяжения, низким удельным весом, низким коэффициентомтемпературного расширения и химической инертностью.
Впервые получение и применение углеродных волокон (УВ) (точнее, нитей)было предложено и запатентовано известным американским изобретателем — Томасом Алва Эдисоном в 1880 г. в качестве нитей накаливания в электрических лампах. Эти волокна получались в результате пиролиза хлопкового или вискозноговолокна и отличались хрупкостью и высокой пористостью и впоследствиибыли заменены вольфрамовыми нитями. В течение последующих 20 лет он жепредложил получать углеродные и графитированные волокна на основеразличных природных волокон. Вторично интерес к углеродным волокнампоявился в середине XX в., когда велись поиски материалов, пригодныхдля использования в качестве компонентов композитов для изготовленияракетных двигателей. УВ по своим качествам оказались одними из наиболееподходящих для такой роли армирующими материалами, поскольку ониобладают высокой термостойкостью, хорошими теплоизоляционнымисвойствами, коррозионной стойкостью к воздействию газовых и жидкихсред, высокими удельными прочностью и жесткостью. В 1958 г. в США былиполучены УВ на основе вискозных волокон. При изготовлении углеродныхволокон нового поколения применялась ступенчатая высокотемпературнаяобработка ГТЦ-волокон (900 °C, 2500 °C), что позволило достичь значенийпредела прочности при растяжении 330—1030 МПа и модуля упругости 40ГПа. Несколько позднее (в 1960 г.) была предложена технологияпроизводства коротких монокристаллических волокон («усов») графита спрочностью 20 ГПа и модулем упругости 690 ГПа. «Усы» выращивались вэлектрической дуге при температуре 3600 °C и давлении 0,27 МПа (2,7атм). Совершенствованию этой технологии уделялось много времени ивнимания на протяжении ряда лет, однако в настоящее время онаприменяется редко ввиду своей высокой стоимости по сравнению с другимиметодами получения углеродных волокон. Почти в то же время в России инесколько позже, в 1961 г., в Японии были получены УВ на основе полиакрилонитрильных(ПАН) волокон. Характеристики первых углеродных волокон на основе ПАНбыли невысоки, но постепенно технология совершенствовалась и уже через10 лет (к 1970 г.) были получены углеродные волокна на основеПАН-волокон с пределом прочности 2070 МПа и модулем упругости 480 ГПа.Тогда же была показана возможность получения углеродных волокон по этойтехнологии с еще более высокими механическими характеристиками: модулемупругости до 800 ГПа и пределом прочности более 3 ГПа. УВ на основенефтяных пеков были получены в 1970 г. также в Японии.
УВ обычно получают термической обработкой химических или природныхорганических волокон, при которой в материале волокна остаются главнымобразом атомы углерода. Температурная обработка состоит из несколькихэтапов. Первый из них представляет собой окисление исходного(полиакрилонитрильного, вискозного) волокна на воздухе при температуре250 °C в течение 24 часов. В результате окисления образуются лестничныеструктуры, представленные на рис. 1. После окисления следует стадиякарбонизации — нагрева волокна в среде азота или аргона притемпературах от 800 до 1500 °C. В результате карбонизации происходитобразование графитоподобных структур. Процесс термической обработкизаканчивается графитизацией при температуре 1600-3000 °C, которая такжепроходит в инертной среде. В результате графитизации количествоуглерода в волокне доводится до 99 %. Помимо обычных органическихволокон (чаще всего вискозных и полиакрилонитрильных), для получения У.в. могут быть использованы специальные волокна из фенольных смол,лигнина, каменноугольных и нефтяных пеков.
Дополнительная переработка УВУглеродные волокна могут выпускаться в разнообразном виде:штапелированные (резаные, короткие) нити, непрерывные нити, тканые инетканые материалы. Наиболее распространенный вид продукции — жгуты,пряжа, ровинги, нетканые холсты. Изготовление всех видов текстильнойпродукции производится по обычным технологиям, так же как для другихвидов волокон. Вид текстильной продукции определяется предполагаемымспособом использования УВ в композиционном материале, точно так же, каки сам метод получения композита. Основные методы получения композитов,армированных углеродными волокнами, являются обычными для волокнистыхматериалов: выкладка, литье под давлением, пултрузия и другие. В настоящее время выпускается ряд видов УВ и УВМ, основные из которых перечислены ниже.
- На основе вискозных нитей и волокон:
- нити, ленты, ткани — Урал®;
- нетканый материал — Карбопон®;
- активированные сорбирующие ткани — Бусофит®,САУТ-1С, АУТ-М;
- активированные сорбирующие нетканые материалы — Карбопон-Актив®.
- На основе вискозных штапельных волокон:
- волокна и нетканые материалы: карбонизованые — Углен® (технологиявосстановлена на Светлогорском ПО «Химволокно») и графитированые —Грален®;
- На основе ПАН-нитей и жгутов:
- ленты и ткани — ЛУ®, УКН®, Кулон®, Элур®.
- активированные сорбирующие волокна и нетканые материалы — Актилен®, Ликрон®;
- дисперсный порошок из размолотых волокон — Ваулен®, АУТ-МИ (для медицинских целей).
- На основе ПАН-волокон:
- Волокна и нетканые материалы: карбонизованные — Эвлон® и графитированные — Конкор®.
Выпускают УВ и за рубежом: в США — Торнел®, Целион®, Фортафил®; вВеликобритании — Модмор®, Графил®; в Японии — Торейка®, Куреха-лон®и т. д.[1].
До 2007 г. в СНГ углеродные волокна производятся на двухпредприятиях: «Аргон» (г. Балаково, Россия) — производство на основеПАН (полиакрилонитрила) и РУП «Светлогорское ПО Химволокно» (г.Светлогорск, Беларусь,
www.sohim.by) — производство на основе вискозы.Оба предприятия обладают собственными мощностями по производствупрекурсора. Предприятие в Беларуси — крупнейший мировой производительуглеволокна из вискозы . По некоторым данным, продолжают работать обе линии НПО «Химволокно» в г. Мытищи.Существовавшие во времена СССР в г. Бровары (под Киевом, Украина), г.Запорожье (Украина) г. С.-Петербурге (НПО «Химволокно»), г. Шуе(Россия) утрачены безвозвратно. Неясна судьба производств в г.Челябинск и г. Электроугли Московской области. Предположительно,частичное оборудование (печи активации) имеются в распоряжении АО«Неорганика», г. Электросталь.
Компания ОАО "НПК «Химпроминжиниринг» (входит в структуру Росатома) является единственным в России производителем углеродных волокони одним из немногих производителей ПАН-прекурсоров, которые выпускаютсяна ее дочерних предприятиях — ООО «Аргон» (г. Балаково Саратовскойобласти), ООО «Завод углеродных и композиционных материалов»(г. Челябинск) и ООО «СНВ» (г. Саратов). Так же ПАН-прекурсоры (нить,жгут) выпускает ФГУП «ВНИИСВ» (г. Тверь).Основными потребителямиуглеродных волокон являются предприятия атомной отрасли, а такжеавиационные предприятия и предприятия военно-промышленного комплекса.ОАО "НПК «Химпроминжиниринг» планирует к 2020 году выйти на объемпроизводства не менее 3000 тонн углеродных волокон в год.СвойстваУВ имеют исключительно высокую теплостойкость: при тепловом воздействии вплоть до 1600—2000 °Св отсутствии кислорода механические показатели волокна не изменяются.Это предопределяет возможность применения УВ в качестве тепловыхэкранов и теплоизоляционного материала в высокотемпературной технике.На основе УВ изготавливают углерод-углеродные композиты, которыеотличаются высокой абляционной стойкостью. УВ устойчивы к агрессивнымхимическим средам, однако окисляются при нагревании в присутствиикислорода. Их предельная температура эксплуатации в воздушной средесоставляет 300—350°С.Нанесение на УВ тонкого слоя карбидов, в частности SiC, или нитридабора позволяет в значительной мере устранить этот недостаток. Благодарявысокой химической стойкости УВ применяют для фильтрации агрессивныхсред, очистки газов, изготовления защитных костюмов и др. Изменяяусловия термообработки, можно получить УВ с различнымиэлектрофизическими свойствами (удельное объёмное электрическоесопротивление от 2·10^-3 до 10^6 ом/см) и использовать их в качестверазнообразных по назначению электронагревательных элементов, дляизготовления термопар и др.
Активацией УВ получают материалы с большой активной поверхностью(300—1500 м²/г), являющиеся прекрасными сорбентами. Нанесение наволокно катализаторов позволяет создавать каталитические системы сразвитой поверхностью.
Обычно УВ имеют прочность порядка 0,5—1 Гн/м² и модуль 20—70 Гн/м²,а подвергнутые ориентационной вытяжке — прочность 2,5—3,5 Гн/м² имодуль 200—450 Гн/м². Благодаря низкой плотности (1,7—1,9 г/см³) поудельному значению (отношение прочности и модуля к плотности)механических свойств УВ превосходят все известные жаростойкиеволокнистые материалы. На основе высокопрочных и высокомодульных УВ сиспользованием полимерных связующих получают конструкционныеуглеродопласты. Разработаны композиционные материалы на основе УВ икерамических связующих, УВ и углеродной матрицы, а также УВ и металлов,способные выдерживать более жесткие температурные воздействия, чемобычные пластики.ПрименениеУВ применяют для армирования композиционных, теплозащитных,хемостойких в качестве наполнителей в различных видах углепластиков.Наиболее емкий рынок для УВ в настоящее время — производство первичныхи вторичных структур в самолетах «Боинг» и «Аэробус» (до 30тн на одноизделие). По причине резко возросшего спроса в 2004—2006 г.г. на рынкенаблюдался большой дефицит волокна, что привело к его резкомуудорожанию.
Из УВМ изготовляют электроды, термопары, экраны, поглощающиеэлектромагнитное излучение, изделия для электро- и радиотехники. Наоснове УВ получают жесткие и гибкие электронагреватели, в том числеставшие полулярными т. н. «карбоновые нагреватели», обогреваемую одеждуи обувь. Углеродный войлок — единственно возможная термоизоляция ввакуумных печах, работающих при температуре 1100 °C и выше. Благодаряхимической инертности углеволокнистые материалы используют в качествефильтрующих слоев для очистки агрессивных жидкостей и газов отдисперсных примесей, а также в качестве уплотнителей и сальниковыхнабивок. УВА и углеволокнистые ионообменники служат для очисткивоздуха, а также технологических газов и жидкостей, выделения изпоследних ценных компонентов, изготовления средств индивидуальнойзащиты органов дыхания. Широкое применение находят УВА (в частности,актилен) в медицине для очистки крови и других биологических жидкостей.В специальных салфетках для лечения гнойных ран, ожогов и диабетическихязв — незаменима ткань АУТ-М, разработанная в начале 80-х годов иопробованная при боевых действиях в Афганистане.Как лекарственное средство применяют при отравлениях (благодаря высокойспособности сорбировать яды. Например препарат «Белосорб», или АУТ-МИна основе светлогорского сорбента), как носители лекарственных ибиологически активных веществ. УВ катализаторы используют ввысокотемпературных процессах неорганических и органических синтеза, атакже для окисления содержащихся в газах примесей (СО до CO2, SO2 доSO3 и др.).Широко применяется в автоспорте в качестве изготовлениядеталей кузова.
Материал из Википедии — свободной энциклопедии
