Углеродные волокна

Это органические материалы, которые подвергли термическому влияние при температурах 1000 – 3000°С. Углеродные волокна разделяют на карбонизованные, угольные и графитовые, которые соответственно содержат не более чем 90%, 91 – 98 и свыше 98% углерода. Они образуются из волокнистых полимеров при термической обработке в инертных средах.
В 2002 году размер мирового рынка углеродных волокон превышал 1 млрд долларов. Мировое потребление углеродных волокон в период 1997 – 2002 гг. росло в среднем на 5,8% на год. Лидирующим рынком углеродных волокон в мире являются США, за ними идет Западная Европа.

Спрос на углеродное волокно, по прогнозам аналитиков, должен расти до 2007-2009 года в среднем на 8% на год. При этом опережающие темпы роста ожидаются в Западной Европе и в азиатских странах, особенно в Китае.

Из свойств углеродных волокон особенное место занимает высокий модуль упругости и прочность, низкая плотность, низкий коэффициент трения, а также высокая стойкость к атмосферному влиянию и химическим реагентам .
Кроме высоких прочностных свойствй и малого веса, углеродные волокна и композиты из них (углепластики) имеют черный цвет и хорошо проводят электрический ток. Кроме этого, углеродные волокна и углепластики имеют очень низкий, почти нулевой коэффициент линейного расширения, которое делает их незаменимыми в некоторых специальных областях применения.

Высокая энергия связи углеродных волокон позволяет им сохранять прочность при очень высоких температурах (в нейтральной и восстановительной средах до 2200°С), а также при низких температурах. В отличие от стеклянных волокон углеродные волокна плохо смачиваются связующим (низкая поверхностная энергия), потому они подлежат травлению.

Во многих случаях углеродные волокна можно комбинировать с другими типами волокон – борными, стеклянными, органическими типа Келар 49, Армос, СВМ – для изготовления изделий, в которых совмещаются преимущества обоих типов волокон. Подобные гибридные композиты уже используют для изготовления деталей самолетов и ракет, а также спортинвентаря.

В зависимости от исходного сырья и технологии обработки можно получить углеродные волокна с разными характеристиками. В таблице (см. ниже) приведены физико – механические свойства некоторых марок углеродных волокон.

Уникальным свойством углеродных волокон является их сравнительно высокая электропроводимость. Волокна можно использовать в качестве нагревательных элементов потому, что их электропроводимость близка к электропроводимости нихрома.

Чтобы повысить прочность углеродных волокон, стоит уменьшить размер кристаллитов, которые имеют более совершенное строение. Как технологические приемы, которые предоставляют углеродным волокнам дополнительную твердость и прочность, используют легирование бором с помощью диффузии из газовой фазы, облучение волокон нейтронами. Чтобы улучшить совместимость волокон с матрицами, на углеродные волокна наносят покрытия (карбиды, бориды, нитриды).

Таким образом, композиты на основе углеродных волокон могут быть незаменимыми для использования в качестве самосмазывающихся подшипников скольжения, сальников. При использовании термостойкой полимерной матрицы, например, полиамида, композиты можно применять для изготовления подшипников, которые работают при повышенных температурах.

Рис 2 Диффузор сабвуфера на основе гибкого углеродного волокна

Для производства углеродных волокон используют два основных типа сырья: вискозные или полиакрилонитрильные (ПАН) волокна, а также нефтяные и каменноугольные пеки. Наибольшим интересом пользуются высокопрочные и высокомодульные углеродные волокна на основе ПАН-волокон. Около 80% углепластиков в мире армируется именно этими волокнами. Лидером в области их разработки и производства считается Япония. Углеродные волокна условно можно классифицировать на две группы: высокомодульные (модуль упругости 300–700 ГПа) и высокопрочные (прочность 2,5–4 ГПа).

Сравнивая углеродные волокна, например, со стеклянными, следует отметить, что они гораздо дороже, а следовательно, область их применения определяется совокупностью характеристик цена/свойства. Можно сказать, что углеродные волокна используют для производства изделий, где определяющим фактором является не цена, а эксплуатационные свойства. Углепластики используют для производства дорогостоящего спортивного инвентаря, в авто- и мототехнике, а также военной промышлености (танки, ракеты, самолеты и др.).