УП Наполнители. Федеральное агентство по образованию
 Скачать 8.75 Mb.
|
|
Физические свойства углеродных волокон зависят от их предыстории (условий карбонизации и графитации ), а некоторые показатели и от природы и качества сырья [1]. Многие свойства углеродных волокон определяется конечной температурой обработки, но, кроме этого, существенный вклад могут вносить другие факторы. В таблице 17.5 приведены наиболее характерные физические свойства углеродных волокон. Плотность графита равна 2,26 г/см3, она значительно превосходит плотность углеродного волокна, что обусловлено менее совершенной структурой последнего. Среди жаростойких волокон углеродное имеет самую низкую плотность; это благоприятно сказывается на удельных механических показателях волокна. Графитированные волокна имеют небольшую удельную поверхность. Таблица 17.5 - Физические свойства углеродных волокон [1].
Удельная поверхность карбонизованных волокон в зависимости от условий их получения и типа применяемого сырья может изменяться в широких пределах. С целью увеличения удельной поверхности 500-1000 м2/г углеродные волокна обрабатывают перегретым водяным паром, диоксидом углерода и другими реагентами. Углеродные волокна характеризуются небольшим коэффициентом линейного расширения, заметно меньшим, чем металлы, графит и кварцевое стекло. По теплоемкости углеродные волокна мало отличаются от других твердых тел. Характерной особенностью углеродных и тем более графитированных волокон является их очень большая теплопроводность. Это свойственно также графиту. При применении углеродных волокон или композиций на их основе в качестве теплозащитных материалов высокая теплопроводность является нежелательной, так как при этом через композиционный материал, происходит интенсивная передача тепла. Для устранения этого недостатка в композиционные материалы кроме углеродного волокна добавляют другие жаростойкие волокна, в частности, волокна из оксидов металлов с низкой теплопроводностью. Углеродные волокна с развитой удельной поверхностью отличаются высокой гигроскопичностью из-за конденсации воды в порах. Графитированное волокно малопористо, поэтому гигроскопичность его низкая. Гигроскопичность имеет большое значение при изготовлении композиционных материалов. Текстильные формы углеродных волокон Углеродные волокна могут выпускаться в виде самых разнообразных текстильных структур: штапелированные, непрерывные нити, тканые или нетканые материалы. Жгуты, пряжа, ровинги и нетканые холсты являются наиболее распространенными в настоящее время видами углеволокнистых структур [2]. Углеродные волокна имеют высокий модуль упругости и малые удлинения. Поэтому они не выдерживают многократных деформаций и использование их для получения тканых материалов представляет известные трудности. Однако в связи с прогрессом в технологии производства углеродных волокон и в технике ткачества оказалось возможным изготавливать из них и всевозможные тканые материалы. Преимуществом однонаправленных тканей (в этом случае тонкие нити: стеклянные или органические, расположенные по утку, служат лишь для технологической связи нитей или жгутов друг с другом) является то, что в них практически исключаются перегибы волокон в продольном направлении, волокна хорошо ориентированы, материал получается гладким и приятным на ощупь. Их выпускают и в виде гибридных лент и полотна в сочетании со стекловолокнистыми нитями . В настоящее время ассортимент тканей весьма разнообразен; они различаются плотностью расположения нитей по ширине, структурой плетения, соотношением числа нитей в продольном (по основе) и поперечном (по утку) направлениях, числом элементарных волокон в пучке и другими характеристиками. В зависимости от условий применения [3], УВМ выпускают в виде непрерывных нитей и жгутов (образованных из 1000, 3000, 5000, 6000, 10000 и большего числа элементарных непрерывных волокон), шнуров, штапельного волокна, кнопа, лент, тканей (часто комбинированных с полимерными или стеклянными волокнами), однонаправленных лент, в которых прочные нити основы связаны малопрочным утком, нетканых материалов (войлока, матов) и пр. На основе углеродных волокон разработан и используется практически весь возможный ассортимент текстильных форм. Для получения тканых изделий из УВ используются два основных способа: ткачество исходных волокон и последующая термическая переработка тканых изделий в углеродные (т.е. карбонизация и графитация тканых форм); получение углеродных нитей, жгутов и их последующая текстильная переработка. Преимущество последнего способа в возможности получения тканей с меньшей анизотропией свойств, а также возможность получения комбинированных тканых материалов из УВ и других типов волокон, недостаток - хрупкость УВ и связанные с ней трудности при текстильной переработке. На рисунке 17.12 показаны типы некоторых тканей специального назначения [2]: неизвитая ткань, в которой благодаря исключению изгибов углеродных волокон предотвращается повреждение волокон и снижение их прочности; спиральная ткань, в которой углеродные волокна расположены по спирали и связаны между собой в радиальном направлении; ткани с ориентацией углеродных волокон пол углом 0. 30 и 60о; трехмерные ткани, в которых углеродные волокна ориентированы также и в направлении толщины ткани, и т.д.  а - неизвитая ткань ; б - спиральная ткань; в - ткань с трехосной ориентацией нитей в плоскости ткани; г - трехмерная ткань с ортогональной объемной ориентацией нитей. 1 - стеклянная нить; 2 - углеродная нить. Рисунок 17.12 - Примеры тканей специального назначения [2]. Ткани из углеродных волокон. Свойства и условия получения углеродных тканей зависят от строения этих тканей, плотности переплетения, извитости пряжи, плотности исходной пряжи и от условий ткачества [3]. Плотность нитей в основе и утке определяется числом нитей в 1 см ткани соответственно в продольном и поперечном направлениях. “Основа” — это пряжа, расположенная вдоль длины ткани, а “уток” перевивает ткань в поперечном направлении. Следовательно, плотность ткани, ее толщина и прочность при разрыве пропорциональны числу нитей и типу пряжи, используемой при ткачестве. Эти параметры могут быть определены, если известна конструкция ткани. Существуют различные виды переплетений основы и утка для создания прочных тканей. Варьируя вид ткани, можно создать разнообразные армирующие структуры, влияющие в определенной степени на свойства композитов из них. В ряде случаев применения углеродных тканей требуются специальные виды переплетений. Тесьмапредставляет собой узкую (менее 30,5 см шириной) ткань, которая может содержать распущенную кромку (т. е. заполняющую пряжу, выступающую за пределы тесьмы) [3]. Тесьма из углеродных волокон в виде плетёных рукавов характеризуется большей гибкостью по сравнению с тканями на основе углеродных волокон. Из тесьмы можно получать изделия сложной конфигурации с поверхностью неправильной формы и т.д. Текстильная углеродоволоконная пряжа — это собранные вместе одиночные параллелизованные волокна или стренги (жгуты), которые в дальнейшем могут быть переработаны в текстильный материал. Непрерывные одиночные жгуты (стренги), представляют собой простейшую форму текстильной углеродоволоконной пряжи, известной как “простая пряжа”. Для использования такой пряжи в дальнейшей текстильной переработке ее обычно подвергают незначительной крутке (менее 40 м-1). Однако для большого числа тканей необходима более толстая пряжа. Такой ассортимент текстильной пряжи может быть получен методом скручивания и трощения. Типичным примером является скручивание двух или более простых стренг вместе с одновременным трощением (т. е. последующим скручиванием двух или более уже предварительно скрученных жгутов). В результате операций кручения и трощения получают пряжу, прочность, гибкость и диаметр которой могут варьироваться. Это является важной предпосылкой для создания различных тканей, из которых в дальнейшем получают композиты. Жгуты состоят из большого числа филаментов, собранных в пучок. Обычно используются жгуты с числом филаментов 400, 10 тыс. или 160 тыс. Под пряжей обычно понимают крученые нити, состоящие из резаных волокон, тогда как ровинг — это прядь (стренга), состоящая из параллельных или слегка подкрученных пучков волокон. Наконец маты (ленты) состоят из большого числа (иногда до 300) жгутов или прядей, уложенных рядом или прошитых вместе углеродных волокон, могут быть переработаны в различные виды текстильных структур. Короткие углеродные волокна (длиной 3 - 6 мм) могут быть переработаны в войлок или нетканый материал по обычной технологии [3]. Для углеволокнитов и углепрессволокнитов [13] используются углеродные нити УКН-П/2500, УКН-П/5000 с поверхностной обработкой и количеством филаментов соответственно 2500 и 5000 в нити, ВМН-4, ВМН-РК, Ровилон, ВЭН-280, УКН/5000, УКН/10000, Кулон/5000А, Кулон/5000Б с линейной плотностью от 200 до 900 текс, отличающиеся прочностью и модулем упругости в достаточно широких пределах. Свойства некоторых углеродных нитей представлены в таблицах 17.6 и 17.7. Таблица 17.6 - Свойства углеродных нитей [13].
Таблица 17.7 - Свойства углеродных нитей [13].
Наиболее широкое применение в качестве армирующего наполнителя для углетекстолитов имеют углеродные ленты типа ЛУ-П, ЭЛУР-П, представляющие собой плотно намотанные на двухфланцевые катушки рулоны шириной 250 мм. Основные характеристики лент представлены в таблице 17.8. Отличительной особенностью углеродных лент является их низкая линейная плотность, обеспечивающая получение углепластиков с толщиной монослоя 0,08-0,13 мкм. [13] Таблица 17.8 - Свойства углеродных лент [13].
Большую группу углеродных армирующих наполнителей представляют тканые материалы на основе углеродных нитей УКН-П/2500 и УКН/П500. Это тканые ленты УОЛ-1 и УОЛ-2 шириной 300,460 и 600 мм. (В условном обозначении ленты первая цифра-ширина ленты, вторая цифра в маркировке - тип используемых нитей в качестве основы: 1- для нитей УКН-П/5000 и 2-для нитей УКН-П/2500.) Эти ленты имеют только углеродные нити в основе, а в утке ленты имеют разреженные стеклянные или органические нити с линейной плотностью 14-30 текс. Получают их на ткацких ленточных станках. Для расширения ассортимента выпускаются комбинированные ленты типа УОЛ-К с соотношением в основе углеродных и стеклянных нитей 6:1. Основные характеристики тканых углеродных и комбинированных лент приведены в таблице 3.9. В отличие от углеродных нитей типа ЛУ эти наполнители обеспечивают получение углепластиков с более высокой толщиной монослоя от 0,17 мм до 0,25 мм и более высокий уровень прочностных характеристик. Тканые ленты типа ЛЖУ, в отличие от лент типа УОЛ, ткутся на исходном сырье и имеют углеродную уточную нить. Ленты ЛЖУ различаются линейной плотностью при использовании в основе различных углеродных нитей в 2500 или 5000 филаментов. Основные характеристики этих лент представлены в таблице 4.9. Принципиально отличается от ранее рассмотренных наполнителей углеродная ткань УТ-900-2,5 на основе нитей УКН-П/2500, переплетенных саржевым переплетением, обеспечивающим равную плотность нитей на основе и утку. Характеристика и свойства тканей приведены в таблице 17.9 [13]. Таблица 17.9 - Свойства тканых углеродных лент и тканей [13].
Марочный ассортимент и свойства отечественных и зарубежных УВМ представлены в таблицах 17.10 - 17.13. В таблице 17.13 представлены некоторые свойства зарубежных углеродных волокон из различных исходных волокон. Они могут быть поставлены потребителю после поверхностной обработки или без нее. Тип и вид текстильной структуры для переработки углеродных волокон определен обычно его применением в композиционном материале. Этим же определяется и метод получения композита: выкладка, литье под давлением или пултрузия. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||