ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОУ ВПО  «КЕМЕРОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Физический  факультет

Кафедра экспериментальной физики 
 
 
 
 
 
 

Курсовая  работа

Углеродные  волокна и композитные материалы  на их основе 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Выполнил: ст. гр. Ф-023(1)

Карачёв А.С.

Проверил: доцент

Юдин  А.Л. 
 
 
 
 
 
 

Кемерово 2006.

Содержание 
 

Введение

     То, что малые добавки волокна  значительно увеличивают прочность  и вязкость хрупких материалов, было известно с древнейших времен. Во времена египетского рабства евреи добавляли солому в кирпичи, чтобы они были прочнее и не растрескивались при сушке на жарком солнце. Одно из самых древних, по всей видимости, описаний изготовления композиционного материала приводится в Ветхом Завете (Исход, гл. 5): «И пришли надзиратели сынов Израилевых и возопили к фараону, говоря: «Для чего ты так поступаешь с рабами твоими? Соломы не дают рабам твоим; а кирпичи, говорят нам, делайте. И вот рабов твоих бьют; грех народу твоему». Но он сказал: «Праздны вы, праздны; поэтому и говорите „Пойдем, принесем жертву Господу”. Пойдите же, работайте. Соломы не дадут вам, а положенное число кирпичей давайте».

     Подобные  технологии существовали у многих народов. Инки использовали растительные волокна  при изготовлении керамики, а английские строители до недавнего времени добавляли в штукатурку немного волоса.

     Другой  композит, известный еще в Древнем  Египте, содержал намного больший  процент волокон, чем египетские кирпичи. Оболочки для египетских мумий  делали из кусков ткани или папируса, пропитанных смолой или клеем. Этот материал (папье-маше) был заново открыт только в 18 в. (вместо папируса использовались куски бумаги) и был популярен до середины 20 в. Из папье-маше делали игрушки, рекламные макеты, а иногда даже мебель.

     Пожалуй, в каждом современном доме найдутся предметы мебели, сделанные из распространенного  в наши дни композиционного материала  – древесно-стружечных плит (ДСП), в  которых матрица из синтетических  смол наполнена древесными стружками  и опилками. А наиболее известным на сегодняшний день композитом, вероятнее всего, является железобетон. Сочетание бетона и железных прутьев дает материал, из которого сооружают конструкции (пролеты мостов, балки и т.п.), которые выдерживают большие нагрузки, вызывающие растрескивание обычного бетона. Интересно, что первыми применять железо в качестве арматуры стали древние греки, причем армировали они мрамор. Когда архитектору Мнесиклу в 437 до н.э. понадобилось перекрыть пролеты длиной в 4–6 м, он замуровал в специальных канавках в мраморных плитах двухметровые железные стержни, чтобы перекрытия справились с напряжениями.

     Многие  из перспективных направлений в  материаловедении, нанотехнологии, наноэлектронике, прикладной химии связываются в  последнее время с фуллеренами, нанотрубками и другими похожими структурами, которые можно назвать общим термином углеродные каркасные структуры. 

УГЛЕРОДНЫЕ  ВОЛОКНА.

     Углеродные  волокна, состоящие в основном из углерода. Их. обычно получают термической обработкой химических или природных органических волокон, при которой в материале волокна остаются главным образом атомы углерода. Температура обработки может составлять менее 900 °С (такие У. в. содержат 85—90% углерода), 900—1500 °С (95—99%) или 1500—3000 °С (более 99%). Помимо обычных органических волокон (чаще всего вискозных и полиакрилонитрильных), для получения У. в. могут быть использованы специальные волокна из фенольных смол, лигнина, каменноугольных и нефтяных пеков.

     У. в. могут иметь разнообразную  текстильную форму, определяемую чаще всего формой исходного сырья (непрерывные или штапельные нити, жгуты, ленты, войлок, ткани и др.). Возможна также переработка У. в. в тканые и нетканые материалы с использованием обычного текстильного оборудования.

  У. в. имеют исключительно высокую теплостойкость: при тепловом воздействии вплоть до 1600—2000 °С в отсутствии кислорода механические показатели волокна не изменяются. Это предопределяет возможность применения У. в. в качестве тепловых экранов и теплоизоляционного материала в высокотемпературной технике.

У. в. устойчивы  к агрессивным химическим средам, однако окисляются при нагревании в  присутствии кислорода. Их предельная температура эксплуатации в воздушной  среде составляет 300—350 °С. Нанесение  на У. в. тонкого слоя карбидов, в  частности SiC, или нитрида бора позволяет в значительной мере устранить этот недостаток. Благодаря высокой химической стойкости У. в. применяют для фильтрации агрессивных сред, очистки газов, изготовления защитных костюмов и др.

     Изменяя условия термообработки, можно получить У. в. с различными электрофизическими свойствами (удельное объёмное электрическое сопротивление от 2×10^-3 до 10⁶ ом ×см) и использовать их в качестве разнообразных по назначению электронагревательных элементов, для изготовления термопар и др.

Активацией У. в. получают материалы с большой  активной поверхностью (300—1000 м²/г), являющиеся прекрасными сорбентами. Нанесение на волокно катализаторов позволяет создавать каталитические системы с развитой поверхностью.

Обычно У. в. имеют  прочность порядка 0,5—1 Гн/м² (50—100 кгс/мм²) и модуль 20—70 Гн/м² (2000—7000 кгс/мм²), а подвергнутые ориентационной вытяжке — прочность 2,5—3,5 Гн/м² (250—350 кгс/мм²) и модуль 200—450 Гн/м² (20×10³—45×10³ кгс/мм²). Благодаря низкой плотности (1,7—1,9 г/м³) по удельному значению (отношение прочности и модуля к плотности) механических свойств У. в. превосходят все известные жаростойкие волокнистые материалы. На основе высокопрочных и высокомодульных У. в. с использованием полимерных связующих получают конструкционные углеродопласты. Разработаны композиционные материалы на основе У. в. и керамических связующих, У. в. и углеродной матрицы, а также У. в. и металлов, способные выдерживать более жёсткие температурные воздействия, чем обычные пластики.

Ламинаты - углеродные волокна, строго ориентированные в одном направлении и омоноличенные (ламинированные) в полимере в виде жестких полос. Ламинаты приклеивают непосредственно на поверхности усиливаемых конструкций.  
Холсты - гибкая ткань с однонаправленным и двунаправленным расположением волокон. Холсты при установке на конструкции утапливаются в полимерный клей - матрицу, обеспечивающую их плотное прилегание к поверхности.

Назначение  материалов

Ламинаты и  холсты с однонаправленными волокнами  используют для восприятия продольных усилий изгибаемых, центрально и внецентренно сжатых элементов: плоских и ребристых плит, ригелей, балок, ригелей, элементов ферм и т.д. 
Холсты с двунаправленными волокнами применяют для усиления конструкций, работающих при сложном напряженном состоянии, для восприятия поперечной силы и сдвиговых усилий: колонны, стойки, приопорные части балок и ригелей каркасных зданий и т.д.

Качества  и свойства углеволоконных материалов

Известно, что  чем выше модуль упругости, тем выше качество материала, используемого  для усиления конструкций. Это свойство выделяет углеволоконные материалы среди других фиброармированных полимерных материалов. Кроме того, углеволоконным материалам присущи механические характеристики, значительно превосходящие свойства стали - их прямого конкурента:

высокий модуль упругости до 640 ГПа;

прочность на растяжение до 3000 МПа;

высокая степень  выносливости и усталостной прочности;

высокое сопротивление  динамическим нагрузкам;

нечувствительность  к химическим агентам, в частности  кислотным и щелочным;

неподверженность  коррозии;

термическая и  реологическая устойчивость и т.д.

На первый взгляд, стоимость углеволоконных композитов превышает стоимость стальных усиливающих  элементов. Однако в действительности эти расхождения более чем  компенсированы уникальными свойствами материала и простотой в работе. На практике метод усиления конструкций композиционными материалами на основе углеволокон зарекомендовал себя как более конкурентоспособный, нежели традиционные методы:

малая масса  и плотность обеспечивают лёгкость транспортировки и обработки материала;

применение углеволоконных материалов не требует тяжелых вспомогательных  приспособлений;

углеволоконные  холсты способны легко повторять  любые формы конструкции;

для приклеивания углеволоконных материалов достаточно лишь прижать их рукой;

возможность многослойной укладки углеволоконных материалов и т.д. 
 
 

КОМПОЗИЦИОННЫЕ  МАТЕРИАЛЫ.

      Композиты – многокомпонентные материалы, состоящие, как правило, из пластичной основы (матрицы), армированной наполнителями, обладающими высокой прочностью, жесткостью и т.д. Сочетание разнородных веществ приводит к созданию нового материала, свойства которого количественно и качественно отличаются от свойств каждого из его составляющих. Варьируя состав матрицы и наполнителя, их соотношение, ориентацию наполнителя, получают широкий спектр материалов с требуемым набором свойств. Многие композиты превосходят традиционные материалы и сплавы по своим механическим свойствам и в то же время они легче. Использование композитов обычно позволяет уменьшить массу конструкции при сохранении или улучшении ее механических характеристик.

     Компонентами  композитов являются самые разнообразные  материалы – металлы, керамика, стекла, пластмассы, углерод и т.п. Известны многокомпонентные композиционные материалы – полиматричные, когда в одном материале сочетают несколько матриц, или гибридные, включающие в себя разные наполнители. Наполнитель определяет прочность, жесткость и деформируемость материала, а матрица обеспечивает монолитность материала, передачу напряжения в наполнителе и стойкость к различным внешним воздействиям.

Структура композиционных материалов.

     По  структуре композиты делятся  на несколько основных классов: волокнистые, слоистые, дисперсноупрочненные, упрочненные  частицами и нанокомпозиты. Волокнистые композиты армированы волокнами или нитевидными кристаллами – кирпичи с соломой и папье-маше можно отнести как раз к этому классу композитов. Уже небольшое содержание наполнителя в композитах такого типа приводит к появлению качественно новых механических свойств материала. Широко варьировать свойства материала позволяет также изменение ориентации размера и концентрации волокон. Кроме того, армирование волокнами придает материалу анизотропию свойств (различие свойств в разных направлениях), а за счет добавки волокон проводников можно придать материалу электропроводность вдоль заданной оси.

В слоистых композиционных материалах матрица и наполнитель  расположены слоями, как, например, в особо прочном стекле, армированном несколькими слоями полимерных пленок.

Микроструктура  остальных классов композиционных материалов характеризуется тем, что  матрицу наполняют частицами  армирующего вещества, а различаются  они размерами частиц. В композитах, упрочненных частицами, их размер больше 1 мкм, а содержание составляет 20–25% (по объему), тогда как дисперсноупрочненные композиты включают в себя от 1 до 15% (по объему) частиц размером от 0,01 до 0,1 мкм. Размеры частиц, входящих в состав нанокомпозитов – нового класса композиционных материалов – еще меньше и составляют 10–100 нм.

Полимерные композиционные материалы (ПКМ). Композиты, в которых матрицей служит полимерный материал, являются одним из самых многочисленных и разнообразных видов материалов. Их применение в различных областях дает значительный экономический эффект. Например, использование ПКМ при производстве космической и авиационной техники позволяет сэкономить от 5 до 30% веса летательного аппарата. А снижение веса, например, искусственного спутника на околоземной орбите на 1 кг приводит к экономии 1000$. В качестве наполнителей ПКМ используется множество различных веществ.

А) Стеклопластики – полимерные композиционные материалы, армированные стеклянными волокнами, которые формуют из расплавленного неорганического стекла. В качестве матрицы чаще всего применяют как термореактивные синтетические смолы (фенольные, эпоксидные, полиэфирные и т.д.), так и термопластичные полимеры (полиамиды, полиэтилен, полистирол и т.д.). Эти материалы обладают достаточно высокой прочностью, низкой теплопроводностью, высокими электроизоляционными свойствами, кроме того, они прозрачны для радиоволн. Использование стеклопластиков началось в конце Второй мировой войны для изготовления антенных обтекателей – куполообразных конструкций, в которых размещается антенна локатора. В первых армированных стеклопластиках количество волокон было небольшим, волокно вводилось, главным образом, чтобы нейтрализовать грубые дефекты хрупкой матрицы. Однако со временем назначение матрицы изменилось – она стала служить только для склеивания прочных волокон между собой, содержание волокон во многих стеклопластиках достигает 80% по массе. Слоистый материал, в котором в качестве наполнителя применяется ткань, плетенная из стеклянных волокон, называется стеклотекстолитом.

Стеклопластики  – достаточно дешевые материалы, их широко используют в строительстве, судостроении, радиоэлектронике, производстве бытовых предметов, спортивного инвентаря, оконных рам для современных стеклопакетов и т.п.

Б) Углепластики – наполнителем в этих полимерных композитах служат углеродные волокна. Углеродные волокна получают из синтетических и природных волокон на основе целлюлозы, сополимеров акрилонитрила, нефтяных и каменноугольных пеков и т.д. Термическая обработка волокна проводится, как правило, в три этапа (окисление – 220° С, карбонизация – 1000–1500° С и графитизация – 1800–3000° С) и приводит к образованию волокон, характеризующихся высоким содержанием (до 99,5% по массе) углерода. В зависимости от режима обработки и исходного сырья полученное углеволокно имеет различную структуру. Для изготовления углепластиков используются те же матрицы, что и для стеклопластиков – чаще всего – термореактивные и термопластичные полимеры. Основными преимуществами углепластиков по сравнению со стеклопластиками является их низкая плотность и более высокий модуль упругости, углепластики – очень легкие и, в то же время, прочные материалы. Углеродные волокна и углепластики имеют практически нулевой коэффициент линейного расширения. Все углепластики хорошо проводят электричество, черного цвета, что несколько ограничивает области их применения. Углепластики используются в авиации, ракетостроении, машиностроении, производстве космической техники, медтехники, протезов, при изготовлении легких велосипедов и другого спортивного инвентаря.

На основе углеродных волокон и углеродной матрицы создают композиционные углеграфитовые материалы – наиболее термостойкие композиционные материалы (углеуглепластики), способные долго выдерживать в инертных или восстановительных средах температуры до 3000° С. Существует несколько способов производства подобных материалов. По одному из них углеродные волокна пропитывают фенолформальдегидной смолой, подвергая затем действию высоких температур (2000° С), при этом происходит пиролиз органических веществ и образуется углерод. Чтобы материал был менее пористым и более плотным, операцию повторяют несколько раз. Другой способ получения углеродного материала состоит в прокаливании обычного графита при высоких температурах в атмосфере метана. Мелкодисперсный углерод, образующийся при пиролизе метана, закрывает все поры в структуре графита. Плотность такого материала увеличивается по сравнению с плотностью графита в полтора раза. Из углеуглепластиков делают высокотемпературные узлы ракетной техники и скоростных самолетов, тормозные колодки и диски для скоростных самолетов и многоразовых космических кораблей, электротермическое оборудование.

В) Боропластики – композиционные материалы, содержащие в качестве наполнителя борные волокна, внедренные в термореактивную полимерную матрицу, при этом волокна могут быть как в виде мононитей, так и в виде жгутов, оплетенных вспомогательной стеклянной нитью или лент, в которых борные нити переплетены с другими нитями. Благодаря большой твердости нитей, получающийся материал обладает высокими механическими свойствами (борные волокна имеют наибольшую прочность при сжатии по сравнению с волокнами из других материалов) и большой стойкостью к агрессивным условиям, но высокая хрупкость материала затрудняет их обработку и накладывает ограничения на форму изделий из боропластиков. Кроме того, стоимость борных волокон очень высока (порядка 400 $/кг) в связи с особенностями технологии их получения (бор осаждают из хлорида на вольфрамовую подложку, стоимость которой может достигать до 30% стоимости волокна). Термические свойства боропластиков определяются термостойкостью матрицы, поэтому рабочие температуры, как правило, невелики.

Применение боропластиков  ограничивается высокой стоимостью производства борных волокон, поэтому  они используются главным образом в авиационной и космической технике в деталях, подвергающихся длительным нагрузкам в условиях агрессивной среды.

Г) Органопластики – композиты, в которых наполнителями служат органические синтетические, реже – природные и искусственные волокна в виде жгутов, нитей, тканей, бумаги и т.д. В термореактивных органопластиках матрицей служат, как правило, эпоксидные, полиэфирные и фенольные смолы, а также полиимиды. Материал содержит 40–70% наполнителя. Содержание наполнителя в органопластиках на основе термопластичных полимеров – полиэтилена, ПВХ, полиуретана и т.п. – варьируется в значительно больших пределах – от 2 до 70%. Органопластики обладают низкой плотностью, они легче стекло- и углепластиков, относительно высокой прочностью при растяжении; высоким сопротивлением удару и динамическим нагрузкам, но, в то же время, низкой прочностью при сжатии и изгибе.

Важную роль в улучшении механических характеристик  органопластика играет степень ориентация макромолекул наполнителя. Макромолекулы  жесткоцепных полимеров, таких, как полипарафенилтерефталамид (кевлар) в основном ориентированы в направлении оси полотна и поэтому обладают высокой прочностью при растяжении вдоль волокон. Из материалов, армированных кевларом, изготавливают пулезащитные бронежилеты.

Органопластики находят широкое применение в авто-, судо-, машиностроении, авиа- и космической технике, радиоэлектронике, химическом машиностроении, производстве спортивного инвентаря и т.д.

Д) Полимеры, наполненные порошками. Известно более 10000 марок наполненных полимеров. Наполнители используются как для снижения стоимости материала, так и для придания ему специальных свойств. Впервые наполненный полимер начал производить доктор Бейкеленд (Leo H.Baekeland, США), открывший в начале 20 в. способ синтеза фенолформфльдегидной (бакелитовой) смолы. Сама по себе эта смола – вещество хрупкое, обладающее невысокой прочностью. Бейкеленд обнаружил, что добавка волокон, в частности, древесной муки к смоле до ее затвердевания, увеличивает ее прочность. Созданный им материал – бакелит – приобрел большую популярность. Технология его приготовления проста: смесь частично отвержденного полимера и наполнителя – пресс-порошок - под давлением необратимо затвердевает в форме. Первое серийное изделие произведено по данной технологии в 1916, это – ручка переключателя скоростей автомобиля «Роллс-Ройс». Наполненные термореактивные полимеры широко используются по сей день.

Сейчас применяются  разнообразные наполнители так  термореактивных, так и термопластичных  полимеров. Карбонат кальция и каолин (белая глина) дешевы, запасы их практически не ограничены, белый цвет дает возможность окрашивать материал. Применяют для изготовления жестких и эластичных поливинилхлоридных материалов для производства труб, электроизоляции, облицовочных плиток и т.д., полиэфирных стеклопластиков, наполнения полиэтилена и полипропилена. Добавление талька в полипропилен существенно увеличивает модуль упругости и теплостойкость данного полимера. Сажа больше всего используется в качестве наполнителя резин, но вводится и в полиэтилен, полипропилен, полистирол и т.п. По-прежнему широко применяют органические наполнители – древесную муку, молотую скорлупу орехов, растительные и синтетические волокна. Для создания биоразлагающихся композитов в качество наполнителя используют крахмал.

Е) Текстолиты – слоистые пластики, армированные тканями из различных волокон. Технология получения текстолитов была разработана в 1920-х на основе фенолформальдегидной смолы. Полотна ткани пропитывали смолой, затем прессовали при повышенной температуре, получая текстолитовые пластины. Роль одного из первых применений текстолитов – покрытия для кухонных столов – трудно переоценить.

Основные принципы получения текстолитов сохранились, но сейчас из них формуют не только пластины, но и фигурные изделия. И, конечно, расширился круг исходных материалов. Связующими в текстолитах является широкий круг термореактивных и термопластичных полимеров, иногда даже применяются и неорганические связующие – на основе силикатов и фосфатов. В качестве наполнителя используются ткани из самых разнообразных волокон – хлопковых, синтетических, стеклянных, углеродных, асбестовых, базальтовых и т.д. Соответственно разнообразны свойства и применение текстолитов.

Оценке механических свойств материалов.

 Различают несколько видов показателей:

      1. Показатели свойств материалов, определяемые вне зависимости от конструктивных особенностей и характера службы изделий. Эти показатели определяются путем стандартных испытаний образцов на растяжение, сжатие, 
изгиб, твердость. Прочностные и пластические свойства, определяемые 
при статических испытаниях на гладких образцах, не полностью характеризуют прочность материала в реальных условиях эксплуатации с Полученные характеристики могут быть использованы лишь для расчета деталей и конструкций, работающих при нормальных (комнатных) условиях и действии статических нагрузок.

      2. Показатели конструктивной прочности материалов, характеризующие 
их работу в условиях эксплуатации конкретного изделия. К этим показателям относятся характеристики долговечности изделий (усталостная прочность, износоустойчивость, коррозионная стойкость) и надежности материала в изделии (вязкость разрушения, энергия, поглощаемая при распространении трещины, живучесть при циклическом нагружении и т. д.). 

Композиционные материалы на основе аллотропных форм углерода.

     Аллотропные формы углерода (графит, алмаз, фуллерены, углеродные нанотрубки, алмазоподобные и фуллереноподобные структуры) обладают уникальными и существенно  различными физико-химическими свойствами, что позволяет получать композиционные материалы с широкими диапазонами значений различных свойств. Ряд композиционных материалов на основе аллотропных форм углерода, например, использующие модифицированные формы графита в качестве связующего и одномерные углеродные структуры в качестве наполнителя, выведен из разряда научных исследований и получил широкое применение в изделиях спецтехники, обеспечивая при высокой прочности, терморадиационной и химической стойкости лёгкость изделий и отличные трибологические параметры.

     На  основе аллотропных форм углерода получают композиционные материалы разного  состава. Широкое применение в технике  и микроэлектронике нашли алмазоподобные плёнки, состоящие преимущественно  из двух фаз углерода — алмаза и графита или алмаза и аморфного углерода (а-С). Физико-химические свойства этих плёнок зависят от способа получения. Поэтому, не смотря на то, что впервые алмазоподобные плёнки были получены в 50-е годы XX века, изучение их характеристик является актуальным и в настоящее время в связи с усовершенствованием методов получения.

С открытием  фуллеренов и нанотрубок появилась  возможность синтеза композиционных материалов нового класса, в состав которых наряду с алмазной и/или  графитовой фазами входят фуллерены (C₆₀, C₇₀ и др.) и фуллереноподобные структуры (нанотрубки, эндофуллерены, ультрадисперсные агрегаты углерода и др.). Исследования таких материалов находятся лишь в начальной стадии.

Белорусским государственным  университетом совместно с УП "КБТЭМ-ОМО" разработаны автоматизированное оборудование и электродуговые технологии для промышленного производства новых углеродных материалов (фуллеренов, углеродных нанотрубок, ультрадисперсных агрегатов углерода), которые явились компонентами композиционных материалов разного типа.

Типы композиционных углеродных структур на основе аллотропных форм углерода, описываемых различными моделями.

Тип I (модель "кластерного  желе")

Материалы это  типа состоят из неимеющих дальнего порядка областей (кристаллоидов) с  различной гибридизацией электронных  состояний: sp³-гибридизацией (алмазоподобных), sp²-гибридизацией (графитоподобных), sp-гибридизацией (карбиноподобных).

Тип II (аморфно-кристаллитная  модель)

Материалы этого  типа состоят из кристаллитов алмаза и/или фуллерита, помещённых в аморфную матрицу. Материалы с вкраплёнными кристаллитами алмаза обладают повышенной твёрдостью и теплопроводностью и могут использоваться в качестве абразивного и теплопроводящего материала. Материалы с вкраплёнными кристаллитами фуллерита обладают нелинейными оптическими свойствами и могут использоваться в качестве преобразователя частоты оптического излучения и в качестве оптического ограничителя.

Тип III (модель "твёрдого раствора")

Материалы этого  типа состоят из кристаллической  углеродной основы, в которую внедрены молекулы фуллеренов. Такие материалы, сохраняя свойства основы, обладают более низким коэффициентом трения вследствие того, что молекулы фуллеренов играют роль молекулярных подшипников, и оптическими свойствами, обусловленными присутствием фуллеренов.

Тип IV (модель "волоконного каркаса")

Такие материалы  имеют в своей структуре углеродные волокна или нанотрубки в качестве армирующих элементов. Малая плотность  углеродных нанотрубок и нановолокон, большое значение модуля Юнга в направлении  оси трубки или волокна позволяет создавать высокопрочные, радиопрозрачные, радиационностойкие композиционные материалы с малой плотностью. Кроме того, такие материалы обладают высокой химической стойкостью и биологической совместимостью.