КЛАССИФИКАЦИЯ УГЛЕРОДНЫХ ВОЛОКОН

Рейтинг:  0 / 5

Звезда не активнаЗвезда не активнаЗвезда не активнаЗвезда не активнаЗвезда не активна
 
При такой классификации все волокнистые углеродные материалы можно разделить на две большие группы: угольные и графитированные, или низко- и высокотемпературные.
Поскольку переход от одной группы к другой обычно не скачкообразный, такое разграничение, разумеется, иногда бывает условным и недостаточно четким. К тому же продукты, формируемые при низких ТТО, являются пирополимерами и не содержат элементарного углерода, который присутствует в них в составе органических соединений.
При одной и той же конечной ТТО УВ могут существенно различаться по структурной упорядоченности и всему комплексу свойств. Известно, что полученные на ранних этапах разработки УВ не содержали в своем составе значительных количеств других элементов, кроме характерных для обычных углей - углерода, водорода и кислорода. Различия же между материалами во всем ассортименте УВ обеспечивались главным образом за счет выбора конечных ТТО, и целевые продукты в этом случае различались соотношением упомянутых химических элементов, а классификация по этим двум признакам удовлетворительно охватывала известные разновидности материалов.
По мере развития исследований и технологии производства были получены и выделились в отдельную группу весьма важные для современной техники более высокопрочные и высокомодульные УВ, и была использована их классификация, основанная на физико-механических свойствах (табл. 2.11).
Таблица 2.11. Классификация углеродных волокон, основанная на
Классификация
Прочность на разрыв, МПа
Модуль Юнга, ГПа
Высокопрочные
3000-7000
200-300
Высокомодульные
2000-3000
350-700
Низкомодульные
500-1000
30-50
Средней прочности
1000-2000
50-150
В последние годы нашла применение классификация УВ, основанная на различиях в областях их использования, частности для конструкций, теплозащиты, материалов с регулируемыми электрофизическими и физико-химическими свойствами (сорбенты, носители катализаторов, фильтры и др.).
Рассмотренные выше некоторые варианты классификации УВ, иногда удобные в конкретных целях, имеют и ограничения, в частности, связанные с тем, что не учитывают взаимосвязи между составом, структурой и свойствами конечного продукта карбонизации. Попытка учесть эти факторы предпринята B.C. Островским [19].
В основу предложенной им классификации искусственных углеродных материалов, к которым относятся также и УВ, положено агрегатное состояние органического вещества при переходе в углерод.
Как видно из табл. 2.12, каждому агрегатному состоянию соответствуют свои закономерности этого перехода и свойства образующегося углерода. Особенности пиролиза в каждой из трех фаз приводят к образованию углерода, отличающегося по свойствам и обладающего характерными структурными признаками.
При карбонизации из твердой фазы формирование углеродных сеток и объединение их в пачки - зародыши будущих кристаллитов - затруднено из-за малой подвижности отдельных элементов структуры.
Поэтому углеродные материалы характеризуются малым размером кристаллитов, изотропностью, развитой микро- и переходной пористостью, а их кристаллическая структура остается турбостратной до 2800 -3000°С. Процесс карбонизации характеризуется относительно низкими значениями энергии активации (до 125 кДж/моль), что указывает на превалирующую роль поликонденсационных реакций [20].
Таблица 2.12. Классификация искусственных углеродных материалов
Агрегатное
Характеристики
Характерные
состояние карбонизуемо-го сырья
Сырья
Процесса.
карбонизации
Получаемого.
углеродного.
материала
представители.
углеродного.
материала
Газовая фаза
Индивидуальные органические вещества (предельные, непредельные и ароматические углеводороды)
Высокие значения энергии активации процесса образования углерода (более 418 кДж/моль)
Дисперсные порошки или компактные отложения, трудно графи-тируемые (Г
ф
>2600°С), микропористые
Сажа,.
пироуглерод
Жидкая фаза
Смесь сложных органических веществ (остатки нефтепереработки, пеки)
Эндотермический характер основной стадии процесса карбонизации; высокие значения энергии активации (более 250 кДж/моль)
Пористые тела; хорошо графитируют-ся; пористость имеет распределение 1 нм... ЮОмкм
Коксы нефтяные и пековые
Твердая фаза
Природные и искусственные полимеры
Экзотермический характер основной стадии процесса карбонизации; энергия менее 125 кДж/моль
Сохраняют форму исходного объекта; плохо графи-тируются
Древесные угли, углеродные волокна, карбонизованные реакто-пласты
Следует отметить, что при всех достоинствах схемы, учитывающей процессы, протекающие при формировании волокна, практическое использование таких схем для классификации продуктов затруднено. Кроме того, в схеме нет достаточных сведений о деталях процесса получения, о продуктах, формируемых в условиях, при которых не исключено сложное сочетание различных элементарных процессов и т.п. Схема не предусматривает и многих других известных вариантов процессов формирования структуры волокон, в частности формирования волокон в присутствии различных веществ и формирования волокон на основе жидкого сырья.
Систематизация УВ значительно усложнилась с тех пор, как возникла необходимость включить в нее и новую группу волокон углеродного типа, разрабатываемую особенно интенсивно в последние годы, -элементсодержащие УВ. Структура и свойства волокон этой большой группы зависят как от степени содержания в них введенных соединений различных элементов, так и от конечной температуры термообработки или соотношения в них углерода и водорода. Отметим, что при тех же температурах термолиза получены многочисленные материалы, существенно различающиеся по комплексу физических и химических свойств. Исходя из этого, для рассматриваемых материалов целесообразно кроме упомянутых факторов учесть и содержание в них других введенных элементов. В то же время они не являются «гибридами» углеродных волокон. Свойства их отнюдь не определяются аддитивностью свойств углеродных волокон и соответствующих оксидов, а некоторые их свойства не присущи ни тем, ни другим.