Углеродные волокна или углеродные волокна (альтернативно CF, графитовое волокно или графитовое волокно) представляют собой волокна диаметром около 5–10 микрометров (0,00020–0,00039 дюйма), состоящие в основном из атомов углерода . [1] Углеродные волокна обладают рядом преимуществ: высокой жесткостью, высокой прочностью на разрыв, высоким отношением прочности к весу, высокой химической стойкостью, устойчивостью к высоким температурам и низким тепловым расширением. [2] Эти свойства сделали углеродное волокно очень популярным в аэрокосмической промышленности, гражданском строительстве, военной промышленности, автоспорте и других видах спорта. [3] Однако они относительно дороги по сравнению с аналогичными волокнами, такими как стекловолокно , базальтовые волокна или пластиковые волокна. [4]
Для производства углеродного волокна атомы углерода связываются вместе в кристаллы, которые более или менее выровнены параллельно длинной оси волокна, поскольку выравнивание кристаллов придает волокну высокое отношение прочности к объему (другими словами, оно прочное для своего размера). Несколько тысяч углеродных волокон связываются вместе, образуя жгут , который может использоваться сам по себе или вплетаться в ткань.
Углеродные волокна обычно комбинируются с другими материалами для формирования композита . Например, при пропитывании пластиковой смолой и запекании образуется полимер, армированный углеродным волокном (часто называемый углеродным волокном), который имеет очень высокое отношение прочности к весу и является чрезвычайно жестким, хотя и несколько хрупким. Углеродные волокна также комбинируются с другими материалами, такими как графит , для формирования армированных углерод-углеродных композитов, которые имеют очень высокую термостойкость.
Материалы, армированные углеродным волокном, используются для изготовления деталей самолетов и космических кораблей, кузовов гоночных автомобилей, стержней клюшек для гольфа, рам велосипедов, удилищ, автомобильных рессор, мачт парусных лодок и многих других компонентов, где требуются малый вес и высокая прочность.
В 1860 году Джозеф Свон впервые изготовил углеродные волокна для использования в лампочках. [5] В 1879 году Томас Эдисон обжигал хлопковые нити или бамбуковые полоски при высоких температурах, превращая их в полностью углеродную нить, используемую в одной из первых ламп накаливания, нагреваемых электричеством. [6] В 1880 году Льюис Латимер разработал надежную углеродную проволочную нить для лампы накаливания, нагреваемую электричеством. [7]
В 1958 году Роджер Бэкон создал высокопроизводительные углеродные волокна в техническом центре Union Carbide Parma, расположенном за пределами Кливленда , штат Огайо . [8] Эти волокна изготавливались путем нагревания нитей вискозы до тех пор, пока они не карбонизировались . Этот процесс оказался неэффективным, так как полученные волокна содержали всего около 20% углерода. В начале 1960-х годов доктор Акио Шиндо из Агентства промышленной науки и технологий Японии разработал процесс с использованием полиакрилонитрила (ПАН) в качестве сырья. Это дало углеродное волокно, содержащее около 55% углерода. В 1960 году Ричард Миллингтон из HI Thompson Fiberglas Co. разработал процесс (патент США № 3,294,489) для производства волокна с высоким содержанием углерода (99%) с использованием вискозы в качестве прекурсора. Эти углеродные волокна обладают достаточной прочностью (модулем упругости и пределом прочности на разрыв), чтобы использоваться в качестве армирования для композитов с высокими прочностными характеристиками и для применений, требующих высокой стойкости к высоким температурам.
Высокий потенциал прочности углеродного волокна был реализован в 1963 году в процессе, разработанном У. Уоттом, Л. Н. Филлипсом и У. Джонсоном в Королевском авиационном учреждении в Фарнборо, Хэмпшир . Процесс был запатентован Министерством обороны Великобритании , затем лицензирован Британской национальной корпорацией исследований и разработок трем компаниям: Rolls-Royce , которые уже производили углеродное волокно; Morganite; и Courtaulds . Через несколько лет, после успешного использования в 1968 году узла вентилятора из углеродного волокна Hyfil в реактивных двигателях Rolls-Royce Conway Vickers VC10 [9] , Rolls-Royce воспользовалась свойствами нового материала, чтобы выйти на американский рынок со своим авиационным двигателем RB-211 с лопатками компрессора из углеродного волокна. К сожалению, лопатки оказались уязвимыми для повреждений от ударов птиц . Эта и другие проблемы привели к таким неудачам Rolls-Royce, что в 1971 году компания была национализирована. Завод по производству углеродного волокна был продан и образована компания Bristol Composite Materials Engineering Ltd [10] (часто называемая Bristol Composites).
В конце 1960-х годов японцы заняли лидирующие позиции в производстве углеродных волокон на основе ПАН. Соглашение о совместном технологическом сотрудничестве 1970 года позволило Union Carbide производить продукцию японской Toray Industries . Morganite решила, что производство углеродного волокна является периферийным 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 обладали превосходной прочностью на изгиб. Кроме того, в этот период японское правительство активно поддерживало разработку углеродных волокон в стране, и несколько японских компаний, таких как Toray, Nippon Carbon, Toho Rayon и Mitsubishi, начали собственную разработку и производство. С конца 1970-х годов на мировой рынок вышли новые типы пряжи из углеродных волокон, предлагающие более высокую прочность на разрыв и более высокий модуль упругости. Например, T400 от Toray с прочностью на разрыв 4000 МПа и M40 с модулем 400 ГПа. Были разработаны промежуточные углеродные волокна, такие как IM 600 от Toho Rayon с прочностью до 6000 МПа. Углеродные волокна от Toray, Celanese и Akzo нашли свой путь в аэрокосмической отрасли от вторичных до основных деталей сначала в военных, а затем и в гражданских самолетах, таких как самолеты McDonnell Douglas, Boeing, Airbus и United Aircraft Corporation . В 1988 году доктор Джейкоб Лахиджани изобрел сбалансированное сверхвысокое по модулю Юнга (более 100 Мпси) и высокопрочное на разрыв углеродное волокно (более 500 кпси), 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 из тысяч непрерывных отдельных углеродных нитей, удерживаемых вместе и защищенных органическим покрытием или клеем, таким как полиэтиленоксид (ПЭО) или поливиниловый спирт (ПВС). Жгут можно удобно размотать с катушки для использования. Каждая углеродная нить в жгуте представляет собой непрерывный 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 приблизительно 5 микрометров. [12]
Атомная структура углеродного волокна похожа на структуру графита , состоящего из листов атомов углерода, расположенных в правильном гексагональном узоре ( графеновые листы), разница заключается в том, как эти листы взаимодействуют. Графит — это кристаллический материал, в котором листы уложены параллельно друг другу в регулярном порядке. Межмолекулярные силы между листами — это относительно слабые силы Ван-дер-Ваальса , что придает графиту его мягкие и хрупкие характеристики.
В зависимости от прекурсора, из которого сделано волокно, углеродное волокно может быть турбостратным или графитовым, или иметь гибридную структуру с присутствующими как графитовыми, так и турбостратными частями. В турбостратном углеродном волокне листы атомов углерода хаотично сложены или смяты вместе. Углеродные волокна, полученные из полиакрилонитрила (ПАН), являются турбостратными, тогда как углеродные волокна, полученные из мезофазного пека, становятся графитовыми после термической обработки при температурах, превышающих 2200 °C. Турбостратные углеродные волокна, как правило, имеют высокую предельную прочность на растяжение , тогда как термически обработанные 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 стало одним из ограничивающих факторов принятия. В сравнении со сталью и материалами из углеродного волокна для автомобильных материалов , углеродное волокно может быть в 10-12 раз дороже. Однако эта надбавка к стоимости снизилась за последнее десятилетие с оценок в 35 раз дороже, чем сталь в начале 2000-х годов. [13]
Углеродное волокно в основном используется для армирования композитных материалов , в частности, класса материалов, известных как углеродное волокно или графитовые армированные полимеры . Неполимерные материалы также могут использоваться в качестве матрицы для углеродных волокон. Из-за образования карбидов металлов и соображений коррозии углерод имел ограниченный успех в композитных приложениях с металлической матрицей . Армированный углерод-углерод (RCC) состоит из армированного углеродным волокном графита и используется структурно в высокотемпературных приложениях. 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 улучшает 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 следует отметить, что углеродное волокно не устраняет риск гальванической коррозии. [17] При контакте с металлом оно образует «идеальную ячейку гальванической коррозии..., и металл будет подвергаться воздействию гальванической коррозии», если между металлом и углеродным волокном не нанести герметик. [18]
Углеродное волокно может использоваться в качестве добавки к асфальту для изготовления электропроводящего асфальтобетона. [19] Использование этого композитного материала в транспортной инфраструктуре, особенно для покрытия аэропортов, уменьшает некоторые проблемы зимнего обслуживания, которые приводят к отмене или задержке рейсов из-за наличия льда и снега. Прохождение тока через композитный материал 3D-сети углеродных волокон рассеивает тепловую энергию, которая повышает температуру поверхности асфальта, что позволяет расплавить лед и снег над ним. [20]
Предшественниками углеродных волокон являются полиакрилонитрил (ПАН), вискоза и пек . Нити из углеродных волокон используются в нескольких технологиях обработки: прямое применение — для предварительной пропитки, намотки нитей, пултрузии, ткачества, плетения и т. д. Пряжа из углеродных волокон оценивается по линейной плотности (вес на единицу длины; т. е. 1 г/1000 м = 1 текс ) или по количеству нитей на единицу пряжи, в тысячах. Например, 200 текс для 3000 нитей углеродного волокна в три раза прочнее, чем 1000 нитей углеродного волокна, но также в три раза тяжелее. Затем эту нить можно использовать для плетения ткани или ткани из углеродных волокон . Внешний вид этой ткани обычно зависит от линейной плотности пряжи и выбранного переплетения. Некоторые часто используемые типы переплетения — саржа , сатин и полотняное переплетение . Нити из углеродных волокон также можно вязать или плести .
Углеродные волокна используются для изготовления микроэлектродов из углеродного волокна . В этом применении обычно одно углеродное волокно диаметром 5–7 мкм запечатывается в стеклянный капилляр. [21] На конце капилляр либо запечатывается эпоксидной смолой и полируется для изготовления дискового микроэлектрода из углеродного волокна, либо волокно разрезается до длины 75–150 мкм для изготовления цилиндрического электрода из углеродного волокна. Микроэлектроды из углеродного волокна используются либо в амперометрии , либо в циклической вольтамперометрии с быстрым сканированием для обнаружения биохимической сигнализации.
Несмотря на то, что углеродные волокна известны своей электропроводностью, они могут проводить только очень слабые токи сами по себе. При вплетении в более крупные ткани их можно использовать для надежного обеспечения (инфракрасного) нагрева в приложениях, требующих гибких электрических нагревательных элементов, и они могут легко выдерживать температуры свыше 100 °C. Многие примеры такого типа применения можно увидеть в самодельных обогреваемых предметах одежды и одеялах. Благодаря своей химической инертности его можно использовать относительно безопасно среди большинства тканей и материалов; однако короткие замыкания, вызванные складыванием материала, приведут к увеличению выработки тепла и могут стать причиной пожара.
Каждая углеродная нить производится из полимера, такого как полиакрилонитрил (ПАН), вискоза или нефтяной пек . Все эти полимеры известны как прекурсоры. Для синтетических полимеров, таких как ПАН или вискоза, прекурсор сначала прядут в нити, используя химические и механические процессы для первоначального выравнивания молекул полимера таким образом, чтобы улучшить конечные физические свойства готового углеродного волокна. Составы прекурсоров и механические процессы, используемые во время прядения нитей, могут различаться у разных производителей. После вытяжки или прядения полимерные нити нагревают для удаления неуглеродных атомов ( карбонизация ), производя конечное углеродное волокно. Нити из углеродных волокон могут быть дополнительно обработаны для улучшения эксплуатационных качеств, а затем намотаны на бобины . [22]
Распространенный метод производства включает нагревание пряденых нитей ПАН примерно до 300 °C на воздухе, 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 связываются бок о бок (лестничные полимеры), образуя узкие графеновые листы, которые в конечном итоге объединяются, образуя одну столбчатую нить. Результатом обычно является 93–95% углерода. Волокно более низкого качества можно изготовить с использованием пека или вискозы в качестве прекурсора вместо ПАН. Углерод может стать еще более улучшенным, как высокомодульный или высокопрочный углерод, с помощью процессов термообработки. Углерод, нагретый в диапазоне 1500–2000 °C (карбонизация), демонстрирует самую высокую прочность на разрыв (5650 МПа или 820 000 фунтов на кв. дюйм ), в то время как углеродное волокно, нагретое от 2500 до 3000 °C (графитизация), демонстрирует более высокий модуль упругости (531 ГПа или 77 000 000 фунтов на кв. дюйм).
