Поиск по сайту
Авторизация
Логин:
Пароль:
Забыли свой пароль?

Микроструктура углеродного волокна и углеродного армированного пластика

Microstructure of Carbon Fiber and Carbon Reinforced Plastic

N. I. Baurova, Wei Hao, Ouyang Xiao

August 2013

Это исследование проводилось с целью изучения микроструктуры различных типов углеродного волокна (углеволокно Российского производства - https://dipchel.ru/store/uglerodnoe-volokno/). Проводилось сравнение  карбонизованных и графитированных волокон. Про результатам структурных исследований были сделаны выводы. Выяснилось, что урон варьируется от различных загрязнений и повреждений моноволокон. Было определено влияние загрязнения моноволокна.

Ключевые Слова: Холодное затвердение эпоксидной матрицы; Углеродные волокна; Углеродный армированный пластик; Микроструктура

1. Введение
Углеродные волокна (УВ), а также углеродные ленты и ткани в течение длительного времени используются в схемах питания различных типов самолетов, как в России, так и в зарубежных странах, для производства несущих панелей крыльев, оперения и фюзеляжа; для производства покрытий из трехслойных панелей различных типов антенн, работающих в космосе; лопаток турбин, сопловых блоков, носовых обтекателей и многих других конструкциях. Углеродные волокна широко применяются в производстве различных нагревательных элементов.
Углеродные волокна представляют собой связку из моноволокон, количество которых зависит от марки углеродных волокон, и может меняться в очень широких пределах, от нескольких тысяч до десяток тысяч штук. Каждая моно-нить представляет нанопористое сильное вещество, которое обладает уникальными электрофизическими свойствами, что открывает новые области их применения, например, как сенсорные датчики при диагностике конструкций в режиме реального времени [1].
Углеродные волокна, полученные при нагревании целлюлозы (poliakrilonitrilny и других типов) волокон. Это сложный процесс, который осуществляется в несколько этапов. На первом этапе происходит окисление при температуре 2000С или 3250C, при котором происходит основная потеря веса и усадки волокна. На второй стадии карбонизации проводят при температуре 10000С или 15000C, затем при температуре 25000С получают многофункциональное волокно и при 28000C графитированное волокно. В зависимости от стадии, в которых процесс производства был прерван, или карбонизированные волокна с различной высокой прочностью, или графитизированных волокон с высоким модулем упругости. Просто модель структуры углеродного волокна может быть представлен в виде последовательно чередующихся блоков кристаллитов, которые соединяют между собой аморфные участки [2].

2. Экспериментальный Процесс
В этой работе структурных исследований четырех различных углеродных волокон проводятся с использованием растровых и электронный микроскоп компанию Phenom.

3. Результаты и обсуждение
3.1. Углерода Моно-Волокна
Структура углеродных волокон образуется при карбонизации и степени графитизации в результате протекания физико-химических процессов. Процесс формирования наноструктуры углеродного волокна состоит из двух этапов: на первом этапе образования макромолекул наноструктурных образований—microfibrilla происходит. На втором этапе, по мере увеличения температуры, постепенно макромолекулы из крученой превращается в линейное и увеличивается диаметр моноволокна. Это происходит потому, что постепенно все имеющиеся в структуре обругал функциональных групп распадаются с образованием аморфных углеродных цепей. Между моноволокнами есть промежуток, который неизбежно возникает из-за усадки углеродного волокна, которое имеет место на всех стадиях его окисления (см. рис. 1). В процессе повышения температуры число ковалентных связей, с которыми рядом microfibrilla постепенно подключается увеличивается.
Таким образом, структура графитизированных углеродных волокон является анизотропным и представляет кристаллитов сгущенное среди них и аморфные участки, состоящие из атомов углерода (см. рис. 1), эти сайты имеют соответственно темных и светлых цветов. Для автомобилей из углеродного волокна, используемые в диагностике наноструктурированных осевой и кольцевой структуры по отношению к характеристике оси волокна. В центральных областях волокна, характеризуются наибольшей концентрации напряжений. По краям волокна есть участки с радиальной ориентацией. Термостойкие включения существенно отличаются от основной структуры волокна.

 
a
 
b
 
c

 
e

Рисунок 1. Структура моно-нити из углеродного волокна: (a) Elur; (b), (c) Culon; (d) LU; (e) UKN-P; (f) UKN-2-500.

В результате проведенных исследований установлено, что карбонизированные углеродные волокна содержат большое количество примесей, которые представляют собой не полностью удаленных частиц кокса из органического полимера (Рис. 2). Эти примеси оказывают существенное влияние на электрофизические свойства углеродных волокон и по этой причине карбонизированные волокна не могут быть использованы в качестве сенсоров при диагностировании металлоконструкций [3].

Графитированных углеродных волокон содержат меньшее количество примесей и по этой причине обладают более стабильными электрофизическими свойствами. В продольном направлении, т. е. параллельно оси волокна, monofibres углерода имеют хорошо сфокусированный и аналогичные структуры, что связано с особенностями расположения графитовых слоев.

Диаметров моно-нити из углеродных волокон в одной партии находятся близко друг к другу и сделать около 10,5 мкм. Точный размер моно-нити углеродных волокон определяется непосредственно в микропластике.


а

b

Рис. 2. Появление моно-нити в графитированных (а) и науглероживанных (б) волокна.

3.2. Углерод в моно-волокна армированных композитов

Для дальнейших исследований, с использованием углеродных волокон марки UKN-2500 и эпоксидной смолы связующие на основе эпоксиданового поля и аммино-отвердителя образцы микропластик, которые после полного холодного отвердения - планомерном воздействующем процессе при 200С в течение 24 часов были протестированы на разрыв и разрушения поверхности, после чего исследовали на электронном микроскопе. Определение характера разрушения, на основании которых можно было бы прогнозировать долговечность послужило целью настоящих исследований.

Проведенный Структурный анализ показал (рис. 3), что прилипатель характер разрушения имеет место, т. е. разрыв происходит точно на поверхности межфазной границы в полимерных матрица—углеродное волокно. Характер разрушения эластичных и черные объекты на фото обозначить те места, где проходили копнув мононити вместе с обязательными.


Рис. 3. Фото разрушений поверхности углеродного армированного пластика.

На основе результатов структурных исследований углеродных волокон можно предположить, что загрязнение на поверхности моно-нити, представляющих частицы кокса, совершенно не удаляется в ходе графитизации, не позволяют получить прочное сцепление волокна и полимерной матрицы, и при нагрузках в матрице происходит пилинг из волокна .

В качестве рекомендаций для увеличении размера адгезионной прочности можно рекомендовать использовать специальной отделочной шубы,  которая необходима при обработке поверхности углеродных волокон  перед нанесением слоя.

Как и другие рекомендации, которые также позволят повысить прочность адгезионного взаимодействия углеродных волокон и эпоксидных связующих, необходимо использовать в углеродные волокна строганую древесину; связываемую  меньшей вязкостью, что позволит существенно сократить толщину связующего слоя между двумя рядом моно-нити. Для уменьшения вязкости можно воспользоваться двумя различными способами. Первый — использование растворителя, второй —  обязательным нагревом перед пропиткой. В первом способе будет получен углерод армированного пластика с минимальной толщиной связующего слоя, однако процесс занимает дополнительное время,  которое будет потрачено на улетучивание растворителя в процессе отвердения. Второй способ позволит получать профиль композиты, однако, толщина связывающего слоя будет выше, чем при использовании другой технологии.

Полученные структуры поверхностей показывают, что эта привязка не обладают релаксационными свойствами и в субмикроуровнями, и скорее всего, это приводит к множественному растрескиванию.

Далее на микроуровне происходит быстрое образование участков, где происходит накопление дефектов, что приводит к тому, что при их определенной концентрации происходит образование основной трещины, которая, как правило, в хрупких материалов развивается с высокой скоростью и будет происходить быстро  и при развитие эта трещина способна  дальше захватывать следующие моноволокна.

4. Вывод

Проведенные структурные исследования углеродных волокон и микропластика показали на их основе, что использованные углеродные волокна марки UKN-2500  имеет большое количество начальных дефектов в виде загрязнения на всей их длине, что в результате приводит к хрупкой и клеевой разрушения карбоновый пластик, армированный. Использование данных углеродных волокон при производстве ответственных деталей из углеродистых армированный пластик потребует дополнительных мер, что позволяет увеличивать размер адгезионной прочности на межфазной зоне.


Использованные источники

[1] V. I. Kostikov, “Constructional Materials on the Basis of Carbon in Modern Equipment—Chelyabinsk: Collection of Scientific Works,” Modern Problems of Production and Operation of Carbon Production, 2005, pp. 8-11.

[2] V. A. Zorin and N. I. Baurova, “Influence of External Factors on the Accuracy of Diagnosing of Road-Building Cars with Use of Carbon Fibers,” Construction and Road Cars, No. 1, 2009, pp. 50-51.

[3] N. I. Baurova, “Diagnostirovaniye and Repair  of Cars about Application Polymeric Materials,” Tekhpoligraftsentr, 2008, 280 p.



Web-мастер
начальник ЦПИУ Курочкин В.А.