СТРУКТУРА УГЛЕРОДНЫХ ВОЛОКОН

Рейтинг:  0 / 5

Звезда не активнаЗвезда не активнаЗвезда не активнаЗвезда не активнаЗвезда не активна
 
Исследование структурных особенностей УВ, полученных из различных исходных материалов в зависимости от условий температуры термообработки, позволили Руланду [3] предложить структурную модель УВ, включающую чередование прямых и изогнутых участков микрофибрилл (муаровый эффект). Поры в структуре длинные, тонкие, с предпочтительной ориентацией вдоль оси волокна. Объемная доля микропор увеличивается с повышением температуры и уменьшается при вытяжке УВ. Основной структурной единицей УВ является слой графита лентообразной формы. Угловое расположение слоев может значительно изменяться при нагреве и вытяжке — ориентация углеродных слоев становится более совершенной при увеличении температуры термообработки и вытяжке. Эта модель, изображенная на рис. 2.1, разработана с использованием методов малоуглового рассеивания и электронной микроскопии [4].
Рис. 2.1. Схематичное изображение ленточной структуры углеродного волокна
Однако, поскольку трудно предположить такой тип структурирования во всем объеме, в частности в ядре волокна, потому что пространство становится слишком малым для углового вращения, были предложены также другие модели.
По данным рентгено-структурного анализа и электронной микроскопии, волокно состоит из кристаллитов, почти одинаковых по размеру и параллельных оси волокна. Эти данные позволяют представить простейшую модель структуры УВ в виде набора тетрагональных кристаллитов, связанных аморфными областями (рис. 2.2) [5].
Отсутствие отчетливых граней в структуре волокна, а также связь высокоупорядоченных участков через аморфные участки, обеспечивающая сохранение эластичности УВ, не соответствует этой модели. Между кристаллитами находятся поры, вытянутые в направлении оси волокна на 20 - 30 нм. Средний диаметр пор у волокон, полученных в интервале 900 - 2900°С, находится в пределах 0,6 - 8,0 нм.
Предложена модель, которая представляет структуру УВ состоящей из расширенных слоев, имеющих беспорядочное расположение, но с общей предпочтительной ориентацией, параллельной оси волокна [6] (рис. 2.3). Области кристалличности окружены зонами обширного напряжения и кручения при наклонном расположении с размытыми границами. Границы имеют угловое наклонение и соединяются с микропустотами, отделяя соседние области кристаллизации.
На основе обобщения предложенных моделей структура анизотропного УВ может быть пред
Рис. 2.3. Трехмерная модель структуры углеродного волокна:.
1 - планарная область, имеющая ближний порядок; 2 - граница; 3 - пора; 4 — граневая дислокация; 5 - изгибы вокруг двух осей
Рис. 2.2. Схематическое изображение структурной модели углеродного волокна:.
1 - пустоты; 2 - граница структурных поворотов; 3 - межкристаллическая граница.
.
Определенное количество микрофибрилл составляют надмолекулярные образования второго порядка - фибриллы. Между микрофибриллами расположены игловидные микропоры, ориентированные вдоль оси волокна. Их длина 20 - 30 нм, радиус 0,29 - 0,68 нм. Между фибриллами
Изучение структуры поперечного сечения УВ позволяет выделить поверхностную оболочку, в которой кристаллиты преимущественно ориентированы вдоль оси волокна, и сердцевину со случайной ориентацией кристаллитов [8].
На основе использования графоаналитического метода исследования структуры углеродных материалов P.M. Левит [7] показал, что процессы углефикации,.
Рис. 2.4. Структурная модель углеродного волокна:.
1 - ядро; 2 - промежуточный слой с радиальной ориентацией, 3 - оболочка; 4 - области, характеризующиеся большой концентрацией напряжений; 5 - трещина; 6 - ламелярные оболочки на включениях и полостях; 7 - большие полости; 8 - радиально расположенные основные структуры; 9 - жаростойкие включения; 10 - участки с мелкокристаллической структурой; / / - небольшие поры.
происходящие в природе, и процессы пиролиза природных полимеров имеют некоторые общие черты. На определенной стадии карбонизации составы угольных полимеров, полученных на основе различных исходных полимеров, становятся схожими. В этой связи представляет интерес структурная модель У В, предложенная Бернетом и Норром [9]. Ими показано, что структура У В, полученных из разных полимеров, имеет много общего. Поэтому такая структура может быть использована для интерпретации структуры различных типов волокон (рис. 2.4).
Надмолекулярная структура УВ проявляется в макроструктуре волокна - морфологии, что во многом определяет его свойства, особенно при взаимодействии с матричным материалом в композите.