ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Введение из "Углеводородные и другие жаростойкие волокнисты материалы" В связи с развитием ракетостроения, самолетостроения и других отраслей новой техники и освоением космоса возникла острая потребность в жаростойких волокнистых материалах. Традиционные природные и химические волокна, в том числе термостойкие, уже не удовлетворяли этим требованиям. Создание новых типов волокон сводилось к получению жаростойких соединений и приданию им формы волокна. К тому времени, когда появилась потребность в этих материалах, было известно большое число, преимущественно неорганических, соединений, обладающих высокой термической стойкостью. К ним относятся углерод, карбиды, нитриды, некоторые металлы и сплавы, окислы отдельных элементов и др. Таким образом, задача сводилась к разработке способов получения волокнистых материалов из новых видов сырья. Превращение жаростойких соединений в волокна представляло собой новую, сложную научно-техническую проблему. Обычные методы формования химических волокон из расплавов и растворов полимеров в большинстве случаев оказались непригодными. Возникла потребность в разработке новых способов получения волокон, зачастую из низкомолекулярных соединений. Эта задача была успешно решена. [c.11] В настоящее время известно большое число жаростойких волокон. Некоторые из них выпускаются в опытно-промышленном и промышленном масштабе, другие не вышли за рамки лабораторных исследований. [c.11] К важнейшим жаростойким волокнам относятся углеродные, борные, карбидные, борнитридные, волокна на основе металлов и сплавов, окислов элементов и некоторые другие. Ниже, в таблице, сопоставлены свойства высокопрочных жаростойких волокон со свойствами некоторых конструкционных материалов. [c.11] Большинство новых типов волокон наряду с жаростойкостью обладает очень высокими физико-химическими и механическими свойствами температура плавления 1300—3650 С, прочность 200— 500 кгс/мм модуль Юнга 25-10 —50-10 кгс/мм . Особое положение в силу уникальных механических свойств (прочность 2000 кгс/мм2 и даже выше) занимают монокристаллы (усы), однако они пока еще получаются в ограниченных масштабах, и их следует рассматривать как материалы будущего. [c.11] Среди жаростойких волокон по масштабам производства первое место занимают углеродные волокна. И это не случайно, так как по технико-экономическим предпосылкам, механическим показателям, и особенно по их удельным значениям (отношение прочности и модуля Юнга к плотности), углеродные волокна, кроме усов, превосходят все жаростойкие волокна. Некоторые виды стеклянных волокон имеют более высокую прочность, но они не относятся к собственно жаростойким материалам, к тому же у них невысокий модуль Юнга. [c.13] Углеродные волокна впервые были получены Эдисоном ещ.е в 1882 г. Они длительное время применялись в электрических лампах накаливания. С появлением вольфрамовых нитей углеродные волокна потеряли значение. Лишь в последние 15 лет вновь возник интерес к ним и начались интенсивные исследования. [c.13] В результате термической деструкции, проводимой в соответствующих условиях, из большинства органических соединений, в том числе из полимеров, получается материал, обычно называемый коксовым остатком этот материал характеризуется высоким содержанием углерода. Из огромного числа соединений лишь немногие могут служить исходным сырьем для производства углеродных волокнистых материалов. Все виды сырья, применяемого для этих целей, можно подразделить на две группы. К первой группе относятся химические и природные волокна, ко второй — некоторые полимеры, смеси органических соединений, богатые углеродом (каменноугольные смолы, нефтяные пеки), а также лигнин и др. Вещества, отнесенные к второй группе, независимо от их химической природы, вначале превращаются в волокна, а затем перерабатываются в волокнистые углеродные материалы. Таким образом, в обоих случаях исходным материалом служат волокна, так как только из соединений, имеющих форму волокна, представляется возможным получить углеродные материалы аналогичной формы. Исходные вещества должны быть высокомолекулярными соединениями или по крайней мере иметь достаточно большой молекулярный вес, необходимый для их переработки в волокна. Низкомолекулярные соединения непригодны для этих целей, так как получить из них волокна и соответственно углерод в виде волокна не представляется возможным. [c.13] Содержание углерода в графитированном волокне выше 99%-В книге применяется также собирательное название углеродные волокна , относимое к обоим типам волокон. [c.14] Процесс карбонизации волокон целесообразно подразделить на две стадии пиролиз и собственно карбонизация. Пиролиз —термическая обработка при температурах, достигающих 250—400 °С. В этой области температур протекают основные реакции термодеструкции полимеров и получается предматериал, участвующий в образовании углеродного скелета волокна. На стадии карбонизации протекающие физико-химические процессы приводят к образованию карбонизованного волокна. [c.14] Карбонизация и графитация волокон проводятся при строго регулируемых температурно-временных режимах в инертной среде на стадии карбонизации в ряде случаев применяются катализаторы. Строгое соблюдение условий термической обработки является необходимой предпосылкой получения высококачественного и стандартного углеродного волокна. [c.14] Карбонизация и графитация являются основными, но не единственными стадиями получения углеродных волокон. В зависимости от вида сырья в технологический цикл включаются другие операции. Иногда исходное волокно подвергается предварительному окислению, которое существенно влияет на механические свойства углеродного волокна для удаления примесей волокно специально обрабатывается. В технологический цикл получения углеродного волокна могут быть включены текстильная подготовка исходного волокна, текстильные операции на отдельных технологических переходах. [c.14] Углеродные волокнистые материалы имеют разнообразную форму. Они могут изготовляться в виде нитей бесконечной длины, жгутов, войлока, лент, тканей разнообразного ассортимента, трикотажных изделий и т. д. Конечная форма углеродного материала определяется формой исходного сырья. Так, для получения углеродных нитей бесконечной длины применяется исходное волокно аналогичной формы при производстве углеродного жгута исходное волокно имеет форму жгута войлок можно получать непосредственно из резаного щтапельного волокна или путем резки углеродного жгутового волокна производство углеродных тканей оснр-вано на термообработке тканей, полученных из исходных волокон, и т. д. [c.14] Первое требование очевидно, ибо иначе в результате плавления полимера теряется волокнистая форма и получается монолитная масса. Так как в процессе карбонизации происходит термическая деструкция, приводящая к изменению химического состава полимера, не должно плавиться не только исходное волокно, но и промежуточные продукты превращения, особенно те из них, которые образуются на ранних стадиях термического распада полимера. Возможность применения плавящихся волокон не исключается, но тогда необходима предварительная обработка, после которой полимер становится неплавким. Обычно полимер окисляют, в результате чего образуются межмолекулярные химические связи, т. е. осуществляется переход от линейной к сетчатой структуре при этом полимер теряет способность плавиться. [c.15] Получение углеродных волокон из органических связано с большими энергетическими затратами, поэтому выход углерода является важным технико-экономическим показателем. [c.15] Выход углерода при карбонизации зависит от химического состава полимера, природы функциональных групп, строения макромолекул, характера надмолекулярных образований, морфологических особенностей волокна, условий термообработки и других факторов. [c.15] Механические свойства углеродных волокон определяются структурой переходных форм углерода (см. гл. 1). На структуру, а следовательно, и свойства углеродного волокна влияют природа полимера, характер промежуточных продуктов, образующихся в процессе пиролиза, условия карбонизации и графитации. Существенное влияние на прочность и модуль Юнга оказывает структура волокнистых форм углерода. [c.15] Приведенные выше три основных требования, которым должны удовлетворять исходные волокна, являются сугубо феноменологическими. Сформулировать научно обоснованные требования к исходным волокнам на данном этапе физико-химических исследований термодеструкции полимеров не представляется возможным. Процессы термодеструкции полимеров и переходные формы углерода слишком сложны и многообразны, поэтому мол но только качественно характеризовать переход от органических к углеродным волокнам. [c.15] Большинство химических и природных волокон служили объектами исследования, но, учитывая практическую значимость, максимальное внимание уделялось химическим волокнам систематическому исследованию подвергались лишь немногие волокна, к числу которых относятся вискозное, полиакрилонитрильное и отчасти поливинилспиртовое волокна. [c.16] Гидратцеллюлозное, преимущественно вискозный корд (ВК), и полиакрилонитрильное (ПАН) волокна относятся к основным видам сырья, применяемого для производства углеродных волокнистых материалов. [c.16] ПАН-Волокно используется исключительно для производства высокопрочного высокомодульного углеродного волокна, тогда как на основе вискозного корда вырабатываются высокопрочные высокомодульные, теплозащитные и другие типы углеродных волокнистых материалов. Это в известной мере обусловлено сложившейся традицией и отчасти экономическими соображениями. Конкуренция между этими видами сырья возможна только при получении высокопрочного высокомодульного углеродного волокна. [c.16] Вернуться к основной статье