Карбоновое усиление композиционных материалов: высокопрочные и высокомодульные

Физико-механические свойства углеродных волокон

Углеродные волокна представляют собой армирующий материал, состоящий из тонких нитей диаметром от пяти до семи микрометров для PAN-волокон, образованных преимущественно атомами углерода. Атомы объединены в микроскопические кристаллические структуры, которые ориентированы параллельно оси волокна, что обеспечивает высокие механические характеристики вдоль продольного направления.

Плотность углеродных волокон составляет от 1,7 до 1,9 граммов на кубический сантиметр, что существенно ниже плотности стали и алюминиевых сплавов. Благодаря низкой плотности и высоким прочностным характеристикам углеродные волокна обладают выдающимися удельными механическими показателями, превосходя по этому параметру большинство конструкционных материалов.

Модуль упругости при растяжении вдоль волокон варьируется в широких пределах в зависимости от типа исходного сырья и режима термообработки. Для высокопрочных волокон на основе полиакрилонитрила характерны значения 230–241 гигапаскалей, для высокомодульных PAN-волокон — 350–420 гигапаскалей. Волокна на основе мезофазных пеков демонстрируют модуль упругости в диапазоне 380–640 гигапаскалей при той же температуре графитизации.

Классификация по модулю упругости и прочности

Углеродные волокна классифицируют по уровню модуля упругости и прочности при растяжении. Эта классификация определяет области применения материала и позволяет инженерам выбирать оптимальный тип армирования для конкретных конструкций.

Волокна стандартного модуля

Волокна категории SM характеризуются модулем упругости 230–241 гигапаскалей и прочностью при растяжении 3,5–4,9 гигапаскалей. Это наиболее распространенный и экономически эффективный тип углеродного волокна, обеспечивающий сбалансированное сочетание прочности и жесткости. Типичный представитель этой категории — волокно Toray T300, находящееся в промышленном производстве с 1971 года и ставшее эталонным материалом для аэрокосмической отрасли.

Волокна промежуточного модуля

Категория IM объединяет волокна с модулем упругости 276–310 гигапаскалей при сохранении высокой прочности 5,3–6,8 гигапаскалей. Промежуточномодульные волокна, изначально разработанные для аэрокосмических применений, в настоящее время находят применение в автомобилестроении, спортивных товарах и промышленном оборудовании. Линейка Toray T800 и Hexcel IM7 представляет данную категорию.

Высокомодульные и сверхвысокомодульные волокна

Волокна HM демонстрируют модуль упругости 350–420 гигапаскалей при прочности 3,5–4,6 гигапаскалей. Категория UHM охватывает волокна с модулем 475–640 гигапаскалей и прочностью 2,7–3,9 гигапаскалей. Существует обратная зависимость между модулем упругости и прочностью — повышение жесткости сопровождается снижением предельной прочности материала.

Технология получения на основе PAN

Полиакрилонитрил является основным прекурсором для производства высококачественных углеродных волокон. Процесс включает несколько последовательных стадий термической обработки, каждая из которых существенно влияет на конечные свойства материала.

Стадия окислительной стабилизации

Исходное полиакрилонитрильное волокно подвергается окислению на воздухе при температуре 220–280 градусов Цельсия в течение нескольких часов. На этой стадии образуются термостабильные циклические структуры, препятствующие плавлению и деструкции материала при последующем нагреве. Контроль температуры и времени выдержки критически важен для получения однородной структуры.

Карбонизация

Стабилизированные волокна подвергаются термообработке в инертной атмосфере при температурах 800–1500 градусов Цельсия. Происходит удаление гетероатомов — водорода, кислорода, азота — в виде летучих соединений. Содержание углерода в волокне возрастает до 92–95 процентов. При температуре карбонизации около 1500 градусов достигается максимальная прочность PAN-волокон.

Графитизация

Для получения высокомодульных волокон проводят графитизацию при температурах 1800–2500 градусов Цельсия в инертной среде. При графитизации происходит упорядочение углеродных слоев, повышение степени кристалличности структуры. Модуль упругости монотонно возрастает с увеличением температуры графитизации, в то время как прочность после достижения максимума при 1500 градусах несколько снижается при дальнейшем нагреве.

Технология получения на основе пека

Мезофазные пеки представляют собой альтернативный прекурсор для производства углеродных волокон, ориентированный преимущественно на получение высокомодульных материалов. Пеки получают термической обработкой каменноугольной смолы или нефтяных остатков при температурах 350–500 градусов Цельсия.

Формование волокна из расплава

Мезофазный пек в расплавленном состоянии продавливают через фильеры, формируя непрерывное волокно. Процесс аналогичен получению синтетических полимерных волокон. Важным преимуществом является отсутствие необходимости в растворителях, что упрощает технологический процесс.

Термическая обработка pitch-волокон

Карбонизация pitch-волокон проводится при температурах 1000–1800 градусов Цельсия, графитизация — при 2500–3000 градусов. При одинаковой температуре обработки волокна на основе мезофазных пеков демонстрируют более высокий модуль упругости по сравнению с PAN-волокнами благодаря лучшей ориентации графитовых слоев вдоль оси волокна.

Свойства pitch-волокон

Углеродные волокна на основе пеков характеризуются модулем упругости 380–640 гигапаскалей при прочности 2,0–2,7 гигапаскалей. Плотность составляет 1,9–2,15 граммов на кубический сантиметр, что выше плотности PAN-волокон. Отличительной особенностью является очень высокая теплопроводность вдоль оси волокна, достигающая значений 500–1100 ватт на метр-кельвин, характерных для металлов.

Поперечный модуль упругости pitch-волокон ниже, чем у PAN-волокон при сравнимом продольном модуле. Это обусловлено различной ориентацией кристаллических структур в поперечном сечении волокна.

Коммерческие марки и их применение

Ведущие мировые производители углеродных волокон разработали широкую номенклатуру продукции, охватывающую весь диапазон свойств от стандартномодульных до сверхвысокомодульных материалов. Выбор конкретной марки определяется требованиями к конструкции, условиями эксплуатации и технологией переработки.

Продукция Toray Industries

Волокно T300 с модулем упругости 230 гигапаскалей и прочностью 3,53 гигапаскаля является базовым материалом аэрокосмической отрасли. Волокно обеспечивает сбалансированные свойства композита, стабильное качество и надежность поставок. Производится в размотках от одной до двенадцати тысяч элементарных волокон.

T700S представляет собой высокопрочное стандартномодульное волокно с прочностью 4,90 гигапаскаля при модуле 230 гигапаскалей. Отличается превосходными технологическими свойствами при намотке, ткачестве и изготовлении препрегов. Находит применение в промышленных сосудах давления, включая баллоны для компримированного природного газа.

T800H относится к категории промежуточномодульных волокон с модулем 294 гигапаскаля и прочностью 5,88 гигапаскаля. Разработано специально для первичных силовых конструкций гражданских самолетов, где требуется высокий уровень и баланс композиционных свойств при снижении массы конструкции.

M40J представляет высокомодульную серию с модулем упругости 377 гигапаскалей и прочностью 4,40 гигапаскаля. Волокна типа MJ характеризуются повышенными значениями как модуля, так и прочности по сравнению со стандартными высокомодульными материалами. Применяются в конструкциях, где критична жесткость при ограниченном весе.

Продукция Hexcel Corporation

AS4 является стандартномодульным волокном с модулем 231 гигапаскаль и прочностью 4,72 гигапаскаля. Широко используется в промышленных и рекреационных применениях благодаря оптимальному соотношению характеристик и стоимости.

IM7 характеризуется модулем упругости 276 гигапаскалей и прочностью 5,65 гигапаскаля. Волокно обеспечивает повышенную жесткость при сохранении высокой прочности. Серии IM6, IM7, IM8, IM9, IM10 различаются балансом модуля, прочности и относительного удлинения при близких значениях модуля упругости.

Области применения

Стандартномодульные волокна применяются в конструкциях спортивного оборудования, автомобильных компонентах, промышленных трубах и емкостях. Промежуточномодульные материалы востребованы в первичных силовых конструкциях летательных аппаратов, космических применениях, высокопроизводительном спортивном инвентаре. Высокомодульные волокна используются там, где критична размерная стабильность и минимальная деформативность — в прецизионном оборудовании, оптических системах, космических конструкциях.