2. Углерод-углеродные композиционные материалы

К одним из наиболее значимых достижений в материаловедении и технологии неметаллических материалов за последние годы следует отнести разработку процессов производства углеродных материалов, которые характеризуются химической инертностью, малой плотностью, хорошими электрофизическими свойствами, возможностью регулирования теплопроводности и электрического сопротивления в широких пределах.

Класс углеродных материалов достаточно обширен, и если в основе классификации лежит принцип, согласно которому в состав материала должен входить атом углерода, то кроме традиционных форм углерода – графита и алмаза – к нему можно отнести полимерные материалы и карбидные соединения. Однако в технике понятие «углеродные материалы» традиционно связано с материалами, обладающими графитоподобной структурой от кристаллической до полностью аморфной, в числе углерод-углеродные композиционные материалы (УУКМ). Классификационными признаками углеродных материалов могут быть: состав исходных компонентов (коксо-пековые композиции, саженаполненные пековые или феноло-формальдегидные композиции и т.д.); технология получения (газофазная, жидкофазная, твердофазная); характеристика структуры (молекулярная, кристаллическая, пористая, а для УУКМ схема армирования); функциональное назначение (конструкционные, теплозащитные, антифрикционные и др.); области применения (самолето- и ракетостроение, металлургия и химическое машиностроение, ядерная энергетика и др.). Однако устоявшейся классификации углеродных материалов, в том числе УУКМ, не существует.

В настоящее время наиболее интенсивно развивается материаловедение, технология и области применения УУКМ. Несмотря на относительно высокую стоимость, УУКМ находят применение, прежде всего в авиации и космонавтике, кроме этого в медицине, в узлах реакторов термоядерного синтеза, в автомобилестроении и при изготовлении спортивного инвентаря.

Специфика использования свойств УУКМ связана с рядом уникальных особенностей, присущих классу углеродных материалов. Присутствие волокнистого наполнителя в объеме УУКМ делает уровень их физико-механических свойств недостижимым для традиционных углеродных материалов. Варьирование пространственным расположением волокнистого наполнителя композита является эффективным инструментом в управлении анизотропией свойств УУКМ.

Развитие композиционных углеродных материалов связано с поиском новых связующих и армирующих наполнителей, разработкой уникального технологического оборудования, снижением длительности технологического цикла, затрат энергии, повышением качества получаемого материала и улучшением его характеристик.

Общий принцип получения УУКМ состоит в создании армирующего каркаса и формировании углеродной матрицы в его объеме.

2.1 Армирующие каркасы

Для армирования в УУКМ используют углеродные волокна (УВ), на основе которых формируют пространственные структуры, обеспечивающие направленную анизотропию свойств конечного материала. В достижение требуемых физико-механических свойств УУКМ свой вклад вносят не только характеристики УВ, но и тип пространственного армирования композита, изменение которого оказывает влияние на процесс заполнения каркаса углеродной матрицей, что, в свою очередь, отражается на свойствах материала в целом.

Широкий спектр существующих типов углеродных волокон позволяет получать материалы с уникальным набором теплофизических, химических, механических характеристик в сочетании с возможностью управления анизотропией перечисленных свойств. Каждый тип волокна обладает индивидуальными свойствами, влияющими на технологические параметры изготовления композита.

По уровню механических характеристик УВ подразделяются на низкомодульные волокна с модулем Юнга до 7*10⁴ МПа и высокомодульные с модулем (15*10⁴…45*10⁴) МПа. В работе волокна подразделяют на три основные группы: высокомодульные, высокопрочные и волокна с повышенным удлинением (табл. 1). Механические и физико-химические свойства УВ в большой степени зависят от типа исходного сырья и технологии их изготовления, включающей в себя три стадии подготовку волокна, карбонизацию при температурах до 1500 ⁰С и высокотемпературную обработку (графитацию) при температурах до 3000 ⁰С.

Конечными температурами обработки и обусловлено разделение УВ на высокопрочные, с температурой обработки до 1500 ⁰С, и высокомодульные, конечной стадией изготовления которых является графитация. В настоящее время известны способы получения углеродного волокна на основе целлюлозы (ГТЦ-волокно), полиактрилонитрильного волокна (ПАН-волокно), поливинилспиртового волокна (ПВС-волокно), песков (нефтяного и каменного), лигнина, а также фенольной смолы.

Хорошая смачиваемость УВ органическим связующим является необходимым условием для достижения адгезионной связи на границе между матрицей и наполнителем в композитах, что оказывает большое влияние на их свойства.

Таблица 1