Углеродные волокна или углеродные волокна (альтернативно CF, графитовое волокно или графитовое волокно) представляют собой волокна диаметром от 5 до 10 микрометров (0,00020–0,00039 дюйма), состоящие в основном из атомов углерода . [1] Углеродные волокна имеют ряд преимуществ: высокая жесткость, высокая прочность на разрыв, высокое соотношение прочности и веса, высокая химическая стойкость, устойчивость к высоким температурам и низкое тепловое расширение. [2] Эти свойства сделали углеродное волокно очень популярным в аэрокосмической, гражданской, военной, автоспорте и других видах спорта. [3] Однако они относительно дороги по сравнению с аналогичными волокнами, такими как стекловолокно , базальтовые волокна или пластиковые волокна. [4]
Чтобы получить углеродное волокно, атомы углерода соединяются вместе в кристаллах, которые более или менее выровнены параллельно длинной оси волокна, поскольку выравнивание кристаллов придает волокну высокое соотношение прочности к объему (другими словами, оно прочно для его размер). Несколько тысяч углеродных волокон связываются вместе, образуя жгут , который можно использовать отдельно или вплетать в ткань.
Углеродные волокна обычно комбинируются с другими материалами для образования композита . Например, при пропитке пластиковой смолой и запекании он образует полимер, армированный углеродным волокном (часто называемый углеродным волокном), который имеет очень высокое соотношение прочности к весу и чрезвычайно жесткий, хотя и несколько хрупкий. Углеродные волокна также комбинируются с другими материалами, такими как графит , для образования армированных углерод-углеродных композитов, которые имеют очень высокую термостойкость.
Материалы, армированные углеродным волокном, используются для изготовления деталей самолетов и космических кораблей, кузовов гоночных автомобилей, валов клюшек для гольфа, велосипедных рам, удочек, автомобильных рессор, мачт парусных лодок и многих других компонентов, где необходимы легкий вес и высокая прочность.
В 1860 году Джозеф Свон впервые произвел углеродные волокна для использования в лампочках. [5] В 1879 году Томас Эдисон обжег хлопковые нити или бамбуковые щепки при высоких температурах, превратив их в нить из углеродного волокна, которая использовалась в одной из первых ламп накаливания, нагревавшихся электричеством. [6] В 1880 году Льюис Латимер разработал надежную нить из углеродной проволоки для лампы накаливания, нагреваемой электричеством. [7]
В 1958 году Роджер Бэкон создал высокопроизводительные углеродные волокна в техническом центре Union Carbide в Парме, расположенном недалеко от Кливленда , штат Огайо . [8] Эти волокна были изготовлены путем нагревания вискозных нитей до их карбонизации . Этот процесс оказался неэффективным, так как полученные волокна содержали лишь около 20% углерода. В начале 1960-х годов доктор Акио Синдо из Агентства промышленных наук и технологий Японии разработал процесс с использованием полиакрилонитрила (ПАН) в качестве сырья. В результате было получено углеродное волокно, содержащее около 55% углерода. В 1960 году Ричард Миллингтон из компании HI Thompson Fiberglas Co. разработал процесс (патент США № 3294489) для производства волокна с высоким содержанием углерода (99%) с использованием вискозы в качестве предшественника. Эти углеродные волокна обладали достаточной прочностью (модулем упругости и пределом прочности на разрыв), чтобы их можно было использовать в качестве армирования для композитов, имеющих высокие характеристики прочности и веса, а также для применений, устойчивых к высоким температурам.
Высокая потенциальная прочность углеродного волокна была реализована в 1963 году в процессе, разработанном У. Уоттом, Л. Н. Филлипсом и У. Джонсоном в Королевском авиастроительном заводе в Фарнборо, Хэмпшир . Этот процесс был запатентован Министерством обороны Великобритании , а затем лицензирован Британской национальной корпорацией исследований и развития трем компаниям: Rolls-Royce , которые уже производили углеродное волокно; Морганит; и Курто . Через несколько лет, после успешного использования в 1968 году узла вентилятора из углеродного волокна Hyfil в реактивных двигателях Rolls-Royce Conway самолета Vickers VC10 , [9] Rolls-Royce воспользовалась свойствами нового материала, чтобы проникнуть на американский рынок. с авиационным двигателем РБ-211 с лопатками компрессора из углеродного волокна. К сожалению, лезвия оказались уязвимыми для повреждений от удара птицы . Эта и другие проблемы вызвали у Rolls-Royce такие неудачи, что компания была национализирована в 1971 году. Завод по производству углеродного волокна был продан и образовалась компания Bristol Composite Materials Engineering Ltd [10] (часто называемая Bristol Composites).
В конце 1960-х годов японцы стали лидерами в производстве углеродных волокон на основе ПАН. Соглашение о совместной технологии 1970 года позволило Union Carbide производить японскую продукцию Toray Industries . Morganite решила, что производство углеродного волокна является второстепенным по отношению к ее основному бизнесу, оставив Courtaulds единственным крупным производителем в Великобритании. Неорганический процесс Courtaulds на водной основе сделал продукт восприимчивым к примесям, которые не влияли на органический процесс, используемый другими производителями углеродного волокна, что привело к тому, что Courtaulds прекратила производство углеродного волокна в 1991 году.
В 1960-х годах экспериментальная работа по поиску альтернативного сырья привела к появлению углеродных волокон, изготовленных из нефтяного пека, полученного в результате переработки нефти. Эти волокна содержали около 85% углерода и имели превосходную прочность на изгиб. Кроме того, в этот период правительство Японии активно поддерживало разработку углеродного волокна внутри страны, и несколько японских компаний, таких как Toray, Nippon Carbon, Toho Rayon и Mitsubishi, начали собственные разработки и производство. С конца 1970-х годов на мировой рынок вышли новые типы пряжи из углеродного волокна, предлагающие более высокую прочность на разрыв и более высокий модуль упругости. Например, Т400 от Toray с пределом прочности 4000 МПа и М40 с модулем упругости 400 ГПа. Были разработаны промежуточные углеродные волокна, такие как IM 600 из района Тохо, с давлением до 6000 МПа. Углеродные волокна от Toray, Celanese и Akzo нашли свое применение в аэрокосмической отрасли от второстепенных до первичных деталей сначала в военных, а затем в гражданских самолетах, таких как самолеты McDonnell Douglas, Boeing, Airbus и United Aircraft Corporation . В 1988 году доктор Джейкоб Лахиджани изобрел сбалансированное углеродное волокно со сверхвысоким модулем Юнга (более 100 МПа) и высокопрочным на разрыв углеродным волокном (более 500 КПа), широко используемое в автомобильной и аэрокосмической промышленности. В марте 2006 года патент был передан Исследовательскому фонду Университета Теннесси . [11]
Углеродное волокно часто поставляется в виде непрерывного жгута, намотанного на катушку. Жгут представляет собой пучок тысяч непрерывных отдельных углеродных нитей, скрепленных вместе и защищенных органическим покрытием или клеем, например полиэтиленоксидом (ПЭО) или поливиниловым спиртом (ПВА). Жгут можно удобно разматывать с катушки для использования. Каждая углеродная нить в жгуте представляет собой сплошной цилиндр диаметром 5–10 микрометров и состоит почти исключительно из углерода . Самое раннее поколение (например, T300, HTA и AS4) имело диаметр 16–22 микрометра . [12] Более поздние волокна (например, IM6 или IM600) имеют диаметр примерно 5 микрометров. [12]
Атомная структура углеродного волокна аналогична структуре графита , состоящего из листов атомов углерода, расположенных в правильном шестиугольном порядке ( листы графена ), разница заключается в способе соединения этих листов. Графит представляет собой кристаллический материал, в котором листы уложены регулярно параллельно друг другу. Межмолекулярные силы между листами представляют собой относительно слабые силы Ван-дер-Ваальса , придающие графиту его мягкие и хрупкие характеристики.
В зависимости от предшественника, из которого изготовлено волокно, углеродное волокно может быть турбостратным или графитовым или иметь гибридную структуру, в которой присутствуют как графитовая, так и турбостратная части. В турбостратном углеродном волокне листы атомов углерода беспорядочно сложены или смяты вместе. Углеродные волокна, полученные из полиакрилонитрила (ПАН), являются турбостратными, тогда как углеродные волокна, полученные из мезофазного пека, графитируются после термообработки при температурах, превышающих 2200 °С. Турбостратные углеродные волокна имеют тенденцию иметь высокий предел прочности на разрыв , тогда как термообработанные углеродные волокна, полученные из мезофазного пека, имеют высокий модуль Юнга (т.е. высокую жесткость или сопротивление растяжению под нагрузкой) и высокую теплопроводность .
Углеродное волокно может иметь более высокую стоимость, чем другие материалы, что является одним из ограничивающих факторов его внедрения. По сравнению со сталью и углеродным волокном для автомобильных материалов углеродное волокно может быть в 10-12 раз дороже. Однако за последнее десятилетие эта надбавка к издержкам снизилась по сравнению с оценками, которые в начале 2000-х годов были в 35 раз дороже, чем сталь. [13]
Углеродное волокно чаще всего используется для армирования композитных материалов , особенно класса материалов, известных как полимеры, армированные углеродным волокном или графитом . В качестве матрицы для углеродных волокон также можно использовать неполимерные материалы. Из-за образования карбидов металлов и проблем, связанных с коррозией , углерод имеет ограниченный успех в применении композитов с металлической матрицей . Армированный углерод-углерод (RCC) состоит из графита, армированного углеродным волокном, и используется в конструкции при высоких температурах. Волокно также находит применение при фильтрации высокотемпературных газов, в качестве электрода с большой площадью поверхности и безупречной коррозионной стойкостью, а также в качестве антистатического компонента . Формование тонкого слоя углеродных волокон значительно повышает огнестойкость полимеров или термореактивных композитов, поскольку плотный компактный слой углеродных волокон эффективно отражает тепло. [14]
Растущее использование композитов из углеродного волокна вытесняет алюминий из аэрокосмической отрасли в пользу других металлов из-за проблем с гальванической коррозией . [15] [16] Однако обратите внимание, что углеродное волокно не устраняет риск гальванической коррозии. [17] При контакте с металлом он образует «идеальный элемент гальванической коррозии… и металл будет подвергаться гальванической коррозии», если между металлом и углеродным волокном не будет нанесен герметик. [18]
Углеродное волокно можно использовать в качестве добавки к асфальту для изготовления электропроводящего асфальтобетона. [19] Использование этого композитного материала в транспортной инфраструктуре, особенно для покрытия аэропортов, уменьшает некоторые проблемы с зимним обслуживанием, которые приводят к отмене или задержке рейсов из-за наличия льда и снега. Прохождение тока через трехмерную сеть углеродных волокон композитного материала рассеивает тепловую энергию, что повышает температуру поверхности асфальта, способного растопить лед и снег над ним. [20]
Прекурсорами углеродных волокон являются полиакрилонитрил (ПАН), вискоза и пек . Нити из углеродного волокна используются в нескольких технологиях обработки: непосредственное применение - для предварительного препрега, намотки, пултрузии, ткачества, плетения и т. д. Пряжа из углеродного волокна оценивается по линейной плотности (вес на единицу длины; т. е. 1 г/1000 г). m = 1 текс ) или по количеству нитей на единицу пряжи, в тысячах. Например, 200 текс для 3000 нитей углеродного волокна в три раза прочнее, чем пряжа из 1000 углеродных нитей, но также в три раза тяжелее. Эту нить затем можно использовать для плетения ткани или ткани из углеродного волокна . Внешний вид этой ткани обычно зависит от линейной плотности пряжи и выбранного переплетения. Некоторые часто используемые типы переплетения — саржевое , атласное и полотняное . Нити из углеродных нитей также можно вязать или плести .
Углеродные волокна используются для изготовления углеродных микроэлектродов . В этом случае обычно одно углеродное волокно диаметром 5–7 мкм запаивается в стеклянный капилляр. [21] На кончике капилляра либо герметизируют эпоксидной смолой и полируют, чтобы сделать дисковый микроэлектрод из углеродного волокна, либо волокно разрезают на длину 75–150 мкм, чтобы сделать цилиндрический электрод из углеродного волокна. Микроэлектроды из углеродного волокна используются либо в амперометрии , либо в циклической вольтамперометрии с быстрым сканированием для обнаружения биохимических сигналов.
Несмотря на то, что углеродные волокна известны своей электропроводностью, они сами по себе могут проводить лишь очень слабые токи. При вплетении в более крупные ткани их можно использовать для надежного (инфракрасного) обогрева в тех случаях, когда требуются гибкие электрические нагревательные элементы, и они могут легко выдерживать температуры выше 100 °C. Многие примеры такого типа применения можно увидеть в предметах одежды и одеялах с подогревом, сделанных своими руками . Благодаря своей химической инертности его можно относительно безопасно использовать с большинством тканей и материалов; однако замыкание, вызванное складыванием материала, приведет к повышенному выделению тепла и может привести к возгоранию.
Каждая углеродная нить изготавливается из полимера , такого как полиакрилонитрил (ПАН), вискоза или нефтяной пек . Все эти полимеры известны как предшественники. Для синтетических полимеров, таких как ПАН или вискоза, прекурсор сначала скручивается в нити с использованием химических и механических процессов для первоначального выравнивания молекул полимера таким образом, чтобы улучшить конечные физические свойства готового углеродного волокна. Составы предшественников и механические процессы, используемые при прядении комплексной пряжи, могут различаться у разных производителей. После вытяжки или прядения полимерные нити затем нагреваются для удаления неуглеродных атомов ( карбонизация ), в результате чего получается окончательное углеродное волокно. Нити из углеродных волокон можно дополнительно обработать для улучшения эксплуатационных качеств, а затем намотать на бобины . [22]
Обычный метод производства включает нагрев скрученных нитей ПАН на воздухе примерно до 300 ° C, что разрушает многие водородные связи и окисляет материал. Затем окисленный ПАН помещают в печь с инертной атмосферой газа, такого как аргон , и нагревают примерно до 2000 ° C, что вызывает графитизацию материала, изменяя структуру молекулярных связей. При нагревании в правильных условиях эти цепи соединяются друг с другом (лестничные полимеры), образуя узкие листы графена , которые в конечном итоге сливаются, образуя единую столбчатую нить. В результате обычно получается 93–95% углерода. Волокно более низкого качества может быть изготовлено с использованием пека или вискозы в качестве предшественника вместо ПАН. Углерод может быть дополнительно улучшен до высокомодульного или высокопрочного углерода в результате процессов термообработки. Углерод, нагретый в диапазоне 1500–2000 °C (карбонизация), демонстрирует самый высокий предел прочности (5650 МПа , или 820 000 фунтов на квадратный дюйм ), тогда как углеродное волокно, нагретое от 2500 до 3000 °C (графитизация), демонстрирует более высокий модуль упругости (531 ГПа). или 77 000 000 фунтов на квадратный дюйм).
