46 зуб
пила для ювелирного лобзика
фотополимерный материал германия
инструмєнт для насички на приклади

ЭЛЕМЕНТСОДЕРЖАЩИЕ УГЛЕРОДНЫЕ ВОЛОКНА. ОБЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ

Рейтинг:  0 / 5

Звезда не активнаЗвезда не активнаЗвезда не активнаЗвезда не активнаЗвезда не активна
 
Как уже говорилось выше, возникла новая группа волокон углеродного типа, разрабатываемая особенно интенсивно в последние годы - элементсодержащие углеродные волокна. Структура и свойства волокон этой большой группы не в меньшей степени зависят и от содержания в них введенных соединений различных элементов, чем, например, от конечной температуры термообработки или соотношения в них углерода и водорода. Кроме того, при одних и тех же температурах пиролиза получены многочисленные материалы, существенно различающиеся по комплексу физических и химических свойств. В то же время они не являются гибридными углеродными волокнами. Свойства их не всегда определяются исходя из аддитивности свойств углеродных волокон и соответствующих добавок, а некоторые из них не присущи ни тем, ни другим.
Уже на раннем этапе исследования показали, что элементоугольные волокна не только превосходят угольные по выходу и перечисленным выше свойствам, но и обладают рядом других ценных свойств. Для них могут быть характерны специфические сорбционные и каталитические свойства, избирательная реакционная способность при взаимодействии с химическими реагентами, магнитные свойства и электропроводность.
К материалам этой группы — элементоуглеродным или в случае их низкотемпературной разновидности элементоугольным - можно отнести такие углеродные волокна, которые кроме элементов, характерных для состава пиролитических угольных материалов (углерод, водород, кислород, иногда азот), включают другие легирующие элементы -металлы или неметаллы, введенные в их состав в количествах, существенно влияющих на комплекс свойств материала (обычно свыше 1 массового %) [1].
При этом присутствие во многих известных технических угольных материалах случайных примесей, поступающих в следовых количествах с сырьем или в процессе производства, не рассматриваются в качестве определяющего признака для отнесения материала к элементоугольным волокнам. Это касается углеродных волокон, получаемых с использованием введения так называемых «катализаторов» карбонизации - добавок, подвергающихся термическим превращениям. Эти добавки обычно вводятся в небольших количествах в полимерное волокно перед пиролизом лишь с целью повлиять на протекание отдельных элементарных процессов термических превращений полимера. Роль добавок состоит в том, чтобы ускорить дегидратацию, повысить выход углерода в твердом остатке, подавить окисление материала выделяющимися при его пиролизе С0
и Н
0. К лучшим добавкам такого рода относятся те, которые в процессе своих термических превращений дают продукты, в максимальной степени удаляющиеся в составе летучих, а остаточные примеси в составе твердого остатка, обязанные введенным добавкам, часто рассматриваются как нежелательные. Однако иногда такие примеси при их значительном содержании могут оказывать благоприятное влияние и на комплекс свойств целевого продукта. Например, влияние добавки бора на повышение модуля Юнга в графитированных волокнах. С другой стороны, известно, что ингредиенты, вводимые в целях достижения необходимого содержания нужных элементов для получения элементоуглеродного волокна, если они вводятся перед или в процессе пиролиза, как правило, существенно влияют и на протекание отдельных термохимических превращений и поэтому позволяют исключить дополнительное введение целевых «катализаторов» карбонизации.
Таким образом, полученные с использованием введенных ингредиентов элементоуглеродные волокна можно достаточно четко классифицировать по особенностям состава, структуры и свойств [1—6].
Среди известных углеродных волокнистых материалов, включающих различные элементы, можно выделить несколько видов, различающихся по типу, количеству, химической форме, структуре и распределению введенных в них элементов.
Вариации по элементному составу таких волокон можно представить в виде непрерывного ряда - от соответствующих волокну, не содержащему легирующих элементов, вплоть до состава, в котором содержание углерода стехиометрически соответствует его соединению с элементом, например карбиду металла. Полученное соединение по мере дальнейшего уменьшения содержания углерода (например, в процессе окисления) переходит через другой ряд промежуточных составов к волокну, не содержащему углерода, например, представляющему собой оксид металла: углеродное (или металлсодержащее полимерное) волокно (I) —> металлоуглеродное волокно (II) —> карбидное волокно (III) —► оксикарбидное волокно (IV) —► окисное волокно (V). Подобный же ряд может включать восстановление элементов, например формирование свободного металла [1].
Приведенный ряд может иногда представлять собой не только классификационную схему, но и реальный ряд последовательных превращений, в частности, для некоторых элементов он был действительно реализован. В этом ряду в качестве собственно элементоуглеродных волокон можно было бы рассматривать либо любые материалы, в элементный состав которых входит углерод и другие элементы, либо к ним можно отнести лишь материалы на II ступени схемы, а другие рассматривать как карбидные или окисные волокна. Этот последний вариант мы приняли в нашем изложении.
Так же, как и для обычных углеродных волокон, не содержащих введенных легирующих элементов, химический состав элементоуглеродных волокон существенно зависит от условий синтеза, в частности от конечной температуры термообработки. Однако закономерности изменения состава (в том числе содержания углерода, водорода, кислорода) при этом значительно сложнее, чем для обычных УВ. Это понятно, если учесть, что в системе протекает ряд взаимосвязанных параллельных и последовательных превращений, в которых обычно участвуют в этом случае намного более сложные и многообразные компоненты.
В отличие от обычных углеродных волокон, для которых с повышением температуры термообработки наблюдается сближение химического состава продуктов, получаемых из различных видов сырья (в пределе «формирование волокна из чистого углерода»), для элементоуглеродных волокон в случаях, когда можно пренебречь удалением введенного элемента с летучими продуктами, полученное при повышенной температуре волокно существенно обогащается этим элементом, например металлом. В этом варианте условия образования графитовой фазы изменяются и могут формироваться иные кристаллические фазы, в частности карбидная и т. п.
Комплекс свойств таких материалов определяется не только (а в отдельных случаях даже и не столько) общим содержанием в нем того или иного введенного элемента, а в значительной мере видом его химического соединения и характером пространственного распределения его по объему волокна. Последнее особенно характерно для элементоуглеродных волокон. Для обычных УВ известна лишь структурная неоднородность, содержание микрообластей, характеризуемых различной степенью упорядоченности, химический же состав таких микрообластей, как правило, имеет мало вариантов. Присутствующие в углеродных волокнах введенные элементы могут содержаться в виде молекулярно (гомогенно) распределенных компонентов (твердые растворы в углеродной матрице и др.), отдельной фазы простого вещества либо того или иного соединения (например, свободных металлов или карбидов).
Эти фазы могут представлять собой слои покрытий (например, «керн» из углеродного волокна покрыт сплошной или несплошной «рубашкой» из металла) или дисперсные включения в объеме волокна (например, включения частиц оксидов или свободных металлов).
Таким образом, элементоуглеродные волокна могут быть как гомогенными по составу, так и представлять собой композиции, включающие различающиеся по химическому составу раздельные фазы. Отметим, что если эти фазы являются высокодисперсными включениями или тонкими поверхностными слоями, то отнесение таких материалов к элементоуглеродным волокнам не вызывает сомнения. В случае же толстых покрытий материал следовало бы классифицировать как УВ с покрытием (например, нанесенным гальваническим или химическим способом) или как композиции типа углерод - металл.
По нашему мнению, достаточно обоснованным и четким критерием при отнесении к элементоуглеродным волокнам, в частности к негомогенному металлоуглеродному материалу, может быть высокая дисперсность «включений», квалифицируемых как частицы коллоидных размеров, а в случае покрытий - слой, являющийся тонкопленочным в том понимании этого термина, как он принят в физике твердого тела. В этом случае для тонких пленок характерна такая толщина слоя, при которой еще имеется выраженная зависимость свойств от толщины, и эти свойства иные, чем для соответствующего массивного материала (тонкие пленки обычно имеют толщину менее микрометра).
Особую группу элементоуглеродных волокон, не включающих отдельных фаз, отличающихся по химическому составу от окружающей их угольной матрицы, но состав поверхностных слоев которых иной, чем в объеме, составляют углеродные волокна, содержащие введенные функциональные группы, локализованные преимущественно на поверхности волокна и содержащихся в нем пор. Такие материалы обычно получают химической модификацией углеродных волокон. Характерными примерами волокнистых материалов такого рода являются ионообменные углеродные волокна, содержащие в своем элементном составе неметаллы, входящие в соответствующие ионогенные функциональные группы - остатки кислот или оснований.
С учетом изложенного известные важнейшие группы элементоуглеродных волокон можно представить схемой (рис. 5.1).
Рис. 5.1. Виды элементсодержащих углеродных волокон