презентация

1.

Обзор и ключевые
темы углеродных
волокон и композитов
Краткий ввод в технологии и свойства
углеродных волокон и их композитов.

2.

История и наука
углеродных волокон
Механическая прочность твердых тел
определяется межатомными связями углерода. С
1880 г. углеродные волокна исследуются, первые
применены в лампах накаливания Эдисона.
Современное производство базируется на
термической обработке органических волокон.
2

3.

Строение и классификация углеродных волокон
Углеродные волокна состоят из
ориентированных графитовых
слоев, обладающих прочными
углерод-углеродными связями,
что обеспечивает высокую
механическую прочность.
Графитовые волокна
подвергаются термообработке
при температуре около 1700°С,
имеют высокую степень
ориентации и достигают модуля
упругости до 345 ГПа.
Углеродные волокна с меньшей
степенью ориентации имеют
пониженные механические
свойства и модуль упругости ниже
345 ГПа, что различает их от
графитовых.
3

4.

Методы ориентирования и формирования углеродных волокон
В промышленности применяют ориентирование
высокомолекулярных углеводородов с
последующим удалением неметаллических атомов
за счет карбонизации. Этот метод обеспечивает
направленное расположение молекул для
прочности волокна.
Для формирования используют мокрое
формование, расплавление и осаждение
графитовых слоёв на подложках, что позволяет
контролировать структуру и свойства углеродных
волокон.
4

5.

Основные виды исходного сырья для производства
УВ
Сравнительная таблица основных видов сырья по
параметрам технологии, стоимости и применения.
ПАН, ГТЦ и пеки — основные виды сырья; отличия
в технологии влияют на прочность и стоимость.
Промышленные данные и научные исследования
5

6.

Углеродные волокна из ПАН: этапы производства
Предварительная вытяжка
Карбонизация при 1500°С
Волокно подвергается вытяжке для
увеличения надмолекулярной
ориентации, что повышает будущие
механические свойства.
Удаление неметаллических
компонентов в инертной
атмосфере с формированием
углеродного скелета.
Формование исходного волокна
Стабилизация при 220°С
Графитация при 3000°С
Процесс начинается с получения ПАН-
Стабилизация проводится при
указанной температуре на воздухе
под натяжением для фиксации
структуры.
Высокотемпературная
обработка улучшает
кристалличность и
ориентированность, усиливая
механические свойства.
волокна методом мокрого формования
с ориентацией макромолекул.
6

7.

Химические и физические особенности полиакрилонитрила
ПАН — линейный полимер с углеродным скелетом, имеющий боковые нитрильные
группы, вызывающие сильные межмолекулярные взаимодействия.
Температура стеклования ПАН составляет около 120°С, что обеспечивает термическую
стабильность при обработке.
Растворимость ПАН ограничена полярными растворителями, а формование
преимущественно осуществляется мокрым способом с ориентацией молекул.
7

8.

Влияние вытяжки на микроструктуру ПАН-волокна
Вытяжка приводит к значительному
упорядочению фибриллярной структуры,
улучшая механические характеристики.
Рост модуля упругости при вытяжке до 150%
доказывает важность ориентационной
обработки для прочности волокон.
Экспериментальные данные 1960-1970-х гг.
8

9.

Стабилизация ПАН-волокна: химические процессы
Стабилизация проходит при температуре стеклования с
полициклизацией и формированием поперечных связей, которые
закрепляют молекулярную ориентацию.
Процесс проводится медленно для снижения тепловых нагрузок,
что предотвращает разрушение структуры волокна.
Формирование объемных химических связей позволяет избежать
релаксации макромолекул и улучшить механические свойства
после карбонизации.
9

10.

Карбонизация и графитизация УВ из ПАН
Карбонизация при 1000-1500°С в инертной
атмосфере удаляет летучие компоненты,
оставляя около 94% углерода в волокне.
Графитизация при температурах выше 1800°С
улучшает ориентацию кристаллических структур
и повышает качество волокон.
В процессе термообработки диаметр волокон
уменьшается почти вдвое, достигая примерно 710 мкм, что повышает их механические
характеристики.
Оптимальная обработка приводит к улучшению
прочности и модуля упругости, обеспечивая
высокую эффективность применения в
композитах.
10

11.

Изменение механических свойств УВ из ПАН в
зависимости от температуры обработки
Рост модуля упругости сопровождается
оптимальным пределом прочности при 15002500°С. Превышение приводит к ухудшению
свойств из-за структурных изменений.
Максимальная прочность достигается при
температуре обработки 1500-2500°С; выше
происходит деградация структуры волокна.
Лабораторные исследования механических свойств УВ из ПАН, 1960-1970 гг.
11

12.

Свойства электрические УВ из ПАН и влияние азота
Содержание остаточного азота в
УВ снижается с повышением
температуры термообработки,
что приводит к улучшению
проводимости волокон.
При высоких температурах
обработки проводимость УВ
достигает уровня, близкого к
металлической, благодаря
уменьшению дефектов и
оптимизации структуры.
Такие свойства делают УВ из ПАН
востребованными в электронике и
композитах, где требуются
проводящие и стойкие материалы.
12

13.

Особенности получения углеродных волокон из пека
Формование
жидкокристаллической фазы
Нагрев пека до 400-450°С в инертной
атмосфере для перехода в
жидкокристаллическое состояние.
Получение пека
Пек получают из нефти, угля и
асфальтов посредством термического
разложения и перегонки.
Стабилизация волокон
Обработка при низких
температурах для сшивки и
предотвращения релаксации
структуры.
Формование волокон
Расплавленный мезофазный пек
формуют через фильеру с
контролем диаметра волокон.
Карбонизация и
графитация
Термообработка при
температурах 1000-3000°С для
получения прочности и
кристалличности.
13

14.

Формование волокон из мезофазных пеков
Технология расплавного прядения
Расплавное прядение проводится в инертной атмосфере с
высокой степенью вытяжки вплоть до 1000:1, обеспечивая
равномерное ориентирование молекул.
Структура и регулирование волокон
Диаметр волокон регулируется от 10 до 15 мкм, что
достигается контролем температуры и параметров
экструзии через фильеру.
14

15.

Влияние температуры термообработки на
механические свойства УВ из пека
Кристаллическая ориентация пековых волокон
тесно связана с их механическими и
электропроводящими свойствами.
Оптимальная обработка в диапазоне 14003000°С повышает прочность и
электропроводность за счет лучшей
кристаллической структуры.
Лабораторные данные по Пековым углеродным волокнам, 1970-е гг.
15

16.

Углеродные волокна из гидратцеллюлозы: технология и свойства
Формование волокон
Мокрое формование из древесной целлюлозы с последующей сушкой и подготовкой к термообработке.
Стабилизация при 400°С
Термообработка для стабилизации структуры и удаления летучих веществ.
Карбонизация до 1500°С
Удаление неметаллических элементов для получения углеродной основы волокон.
Графитация
Термообработка при 2800-3000°С с одновременным вытягиванием для повышения модулей упругости.
Термовытяжка
Последующее вытягивание увеличивает ориентацию и механические характеристики волокон.
16

17.

Молекулярная структура и ограничение применения ГТЦ-волокон
Высокое содержание водорода и кислорода в целлюлозе снижает выход углеродного
волокна до 10-30%, что ограничивает его масштабное производство.
Использование замедлителей горения при пропитке ГТЦ-волокон повышает
эффективность пиролиза и выход углеродного материала.
Такая обработка способствует улучшению механических характеристик и расширяет
возможности применения УВ из ГТЦ.
17

18.

Физико-механические характеристики различных
видов УУКМ
Таблица отражает модули упругости, пределы
прочности, плотности и температурные пределы
композитов с разными армирующими структурами
и матрицами.
УУКМ демонстрируют широкий диапазон свойств,
зависящий от типа армирования и матрицы, что
позволяет оптимизировать материалы под задачи.
Промышленные испытания и опубликованные стандарты, 2000-е годы
18

19.

Методы производства и применение углерод-углеродных композитов
Основной метод производства —
карбонизация углепластиков с
последующей термообработкой для
удаления летучих и формирования
углеродной матрицы.
УУКМ широко применяются в авиации и
космонавтике благодаря легкости,
прочности и температуростойкости до
3000°С.
Пропитка армирующих каркасов
термореактивными смолами с повторной
карбонизацией обеспечивает высокую
плотность и однородность композитов.
Дополнительные сферы — металлургия
для пресс-форм и медицина для
биосовместимых имплантов,
использующих уникальные свойства УУКМ.
19

20.

Заключение и перспективы развития
Увеличение функциональности углеродных волокон и композитов за счёт новых
аллотропных форм и нанотехнологий откроет новые горизонты в высокотемпературных
и аэрокосмических областях.