Методы и методология исследований УВ

 

Испытывают филаменты, нити, пучек нитей до и после пропитки. Свойства испытывают: модуль упругости и предел прочности при растяжении, модуль сдвига, линейная плотность волокна, плотность, поперечное сечение, диаметр, теплопроводность.

Механические свойства определяют методом крутильного маятника и динамическим с пьезоэлектрическим датчиком. Типы матриц КМ на основе УВ: смолы, металлы.

Используют КМ с одновременным применением разных волокон или послойно из волокон: УВ, стекла, борные, боровольфрамовые и др.

Наполнитель и матрица в УУКМ в зависимости от состава и условий карбонизации могут иметь разные модификации. В принятой классификации указывается сначала структура углерода-наполнителя, затем матрицы, например, графит-углеродный, графит- графитный и др.

 

Рисунок 10 -  Примеры комбинированных плетеных волокон

 

Углерод-углеродные композиты содержат углеродный армирующий элемент в виде дискретных волокон, непрерывных нитей или жгутов, войлоков, лент, тканей с плоским и объемны

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

КР 18.02.13. 13.000 ОТ

м плетением, (см рис) объемных каркасных структур. Волокна располагаются хаотически, одно-, двух- и трехнаправленно. Используют волокна низкомодульные, высокомодульные и высокопрочные, полученные из вискозных, полиакрилонитрильных волокон, каменноугольного и нефтяного пеков [подразделяются на изотропные и мезофазные (жидкокристаллические)], гидратцеллюлозы. [5]

Углеродная матрица объединяет в одно целое армирующие элементы в композите, что позволяет наилучшим образом воспринимать различные внешние нагрузки. Определяющими факторами при выборе материала матрицы являются состав, структура и свойства кокса. В зависимости от условий получения и поставленных задач наиболее часто в качестве матрицы в УУКМ применяют пироуглерод, стеклоуглерод, кокс с каменноугольного и нефтяного пеков, графит, пирографит, сажу и др. Стеклоуглерод - продукт термопереработки сетчатых полимеров. Исходным сырьем являются целлюлоза и синтетические смолы. Термин «пеки» употребляется для обозначения твердых в обычных условиях, но плавких продуктов термического превращения - асфальтосмолистых веществ, получаемых из нефти, каменного угля и др. Пеки в зависимости от происхождения подразделяются на природные (нефтяные, каменноугольные) и синтетические, а по структуре на обычные и мезофазные (жидкокристаллические).

В конце двадцатого столетия на основе новых аллотропических модификаций углерода, таких как фуллерены и углеродные нанотрубки, начинают создавать принципиально новые типы УУКК, которые можно отнести к углеродным нанокомпозитам.

Углерод существует в нескольких модификациях, свойства которых резко различны: графит, алмаз, карбин (получен искусственно), лонсдеймит (получен искусственно, потом обнаруж

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

КР 18.02.13. 13.000 ОТ

ен в метеоритах) и фуллерит.

Фуллерены - аллотропические молекулярные формы углерода, в которых атомы расположены в вершинах правильных шести- и пятиугольников, покрывающих поверхность сферы или сфероида. Эти были открыты в 1985 г. и могут содержать 28, 32, 50, 60, 70, 76 атомов. В 1990 г. была создана относительно простая и эффективная технология получения фуллеренов в макроскопических количествах. В процессе дугового разряда с графитовыми электродами происходит термическое распыление графита, который затем конденсируется. Конденсат, содержащий кроме сажи - 10-20% фуллеренов, помещают в органический растворитель (бензол, толуол), где фуллерен, в отличие от сажи, довольно хорошо растворяется. Затем С60 и другие фуллерены выделяют из раствора методами перегонки.[5]

Рисунок 11 -  Основные виды молекул фуллеренов

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

КР 18.02.13. 13.000 ОТ

Одно из перспективных направлений физикохимии фуллеренов связано с возможностью внедрения внутрь полой или сфероидальной молекулы одного или нескольких атомов и созданием, таким образом, нового класса композиционных материалов - нанокомпозитов.[5]

 

Основные свойства УУКМ

 

По характеру свойств УУКМ относится к композитам с керамической матрицей, но отличается способом получения. Армирующая часть углерод-углеродного композита находится в частично кристаллической форме графита, матричная часть обычно аморфна. В отличие от большинства композитов с керамической матрицей при высоких температурах этот материал подвержен окислению. Чтобы предохранить его от окисления, на поверхность обычно наносят тонкий слой керамики.

Основные свойства УУКМ, обусловливающие их применение в таких областях как авиация и космонавтика, металлургия, машиностроение, реакторостроение, медицина являются термическая стойкость и ударная прочность. Прочность УУКМ может быть в 5 -10 раз выше, чем у графита, их высокая температуростойкость сочетается с малой плотностью (от 1,35-10-3 до 2-10-3 кг/м3), высокими прочностью и модулем упругости, стойкостью к тепловому удару.

Свойства УУКМ изменяются в широком диапазоне, так как определяется многими факторами:    свойством армирующего наполнителя и природой матрицы, степенью

наполнения, взаимодействием на границе раздела наполнитель - матрица, условиями пропитки, отверждения, карбонизации, графитизации, геометрией армирования и др. В Таблица 10 приведены физико-механические характеристики некоторых УУКМ с различными структурой армирования и видом матрицы, изготовленных различными способами.

В зависимости от температуры эксплуатации изделия из УУКМ проявляют разнообразные механические свойства. Для УУКМ в отличие от других материалов характерно улучшение некоторых механических характеристик с повышением температуры. Это обусловлено релаксацией внутренних напряжений за счет улучшения пластических свойств при повышенных температурах и «залечиванием» дефектов вследствие термического расширения материала при повторном нагреве до температуры изготовления.[6]

 

Таблица 1 -

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

КР 18.02.13. 13.000 ОТ

Физико-механические характеристики некоторых УУКМ

Характеристики	УУКМ
	Сепкарб	Аэролор	Ортогонально армированный
Платность,	2	1,5-1,8	1,9
Прочность, Мпа, при: растяжении сжатии	≤60 ≤65	≤30 -	≤150 ≤130
Структура армирования	3d(жгуты)	2d(ткань)	3d(жгуты)
Способ изготовления	Жидкофазный	Газофазный или комбинированный	Жидкофазный(высокого давления)
Тип матрицы	Кокс пека	Пироуглерод или пироуглерод + кокс пека	Кокс пека

 

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

КР 18.02.13. 13.000 ОТ

Рисунок 12 - Основные свойства углерод-углеродных композитов в зависимости от температуры [6]