Файл: Алюминиевые и магниевые сплавы, армированные волокнами..pdf

родных волокон [89]. То же происходит при температуре 2000—

на основе вискозы с помощью вытягивания при температуре плас­ тической деформации зависит только от величины деформации, а не от нагрузки и температуры. Те же свойства углеродных воло­ кон на основе ПАН зависят от температуры и деформации исходных волокон и не зависят от их вязкости и преимущественной ориен­ тации [92].

Для углеродных волокон на основе вискозы характерно почти линейное увеличение прочности с ростом модуля Юнга [56, 73, 78].

Кривые напряжения — деформация для углеродных волокон при растяжении имеют в целом упругий характер [56, 72, 73]. Некоторые отклонения от линейной зависимости наблюдаются при малых деформациях (меньших 0,2%), однако этот эффект не уда­ ется объяснить недостаточным спрямлением ненагруженных воло­ кон [72, 93]. При изгибе волокон имеет место незначительная пла­ стическая деформация [73].

Прочность может снижаться при наличии в тонких волокнах макродефектов, вызывающих локальные концентрации напряжений [47, 71]. Дефектность волокон приводит к линейной зависимости прочности углеродных волокон от их длины [46, 47, 56, 57, 71, 73, 74, 94]. С увеличением длины значительно понижается прочность и несколько увеличивается модуль Юнга [46]. Поэтому для углерод­ ных волокон имеет смысл рассматривать удельные значения этих величин [46]. На зависимость прочности от длины углеродных во­ локон (ПАН) температура не влияет, так как дефектность не вно­ сится в процессе пиролиза [71]. Как показано в [78], прочность,

57

*Исходные волокна — полиакрнлнитрил.

**Исходные волокна — вискоза.

58

Углеграфитовые волокна наряду с высокими механическими свойствами (предел прочности, модуль упругости) при комнатных и высоких температурах, термостойкостью обладают и рядом не­ достатков: склонностью к окислению на воздухе, химической ак­ тивностью с металлами, слабым сцеплением с полимерными матри­ цами. В некоторых научных лабораториях сейчас ведутся большие работы по устранению этих недостатков^Для увеличения сдвиговой прочности углеродных волокон в композициях они покрываются перпендикулярно к оси волокна усами («вискеризация»), прово­ дится предварительное окисление поверхности волокна, травление его в различных реактивах.

Для защиты от окисления и улучшения совместимости их с ме­ таллическими матрицами на углеграфитовые волокна электрохими­ ческими методами наносятся металлические и керамические покры­ тия.

Электрические свойства углеродных волокон в настоящее время интенсивно изучаются в целях использования их для контроля дефектности как самих углеродных волокон, так и соответствую­ щих композиционных материалов [72]. Предварительные исследо­ вания [93] показали, что большинству углеродных волокон свой­ ственно незначительное линейное увеличение сопротивления с уве­ личением деформации, причем характер влияния деформации на механизм проводимости зависит от степени преимущественной ориентации. С другой стороны, незначительная переориентация кристаллитов во время растяжения не влияет заметно на сопротив­ ление [95]. В [96] отмечено высокое удельное сопротивление угле­ родных волокон по сравнению с высокоупорядоченным пиролити­ ческим графитом и сделано предположение, что это обусловлено малыми размерами кристаллитов. В [97] высказано утверждение, что высокое удельное сопротивление углеродных волокон, в 10— 100 раз превышающее удельное сопротивление монокристаллов графита в направлении базисной плоскости [72, 97], обусловлено эффектом рассеяния электронных волн на границах кристаллитов. Здесь же было найдено, что для некоторых волокон кривые на гра­ фике сопротивление—растяжение имеют два участка с линейной зависимостью, причем тот участок, где растяжение больше, имеет больший наклон. В работах [56, 98, 99] отмечена тесная корреляция между удельной проводимостью волокон и модулем Юнга. В целом зависимость носит линейный характер, и, например, для угле­ родных волокон на основе вискозы изменение модуля в пределах 7-10б—77-ІО5 кГІсм2 влечет за собой повышение удельной прово­ димости от 300 до 1800 (ом-см)*1 [56].

В работе [72] измерялось электрическое сопротивление, спектр электрического шума и зависимость удельного сопротивления от величины деформации при растяжении углеродных волокон семи различных по способу получения видов. Найдено, что сопротивле­ ние волокон на много больше, чем в случае, если бы они целиком 9ОСТ0ЯЛҢ из упорядоченных графитовых кристаллитов, а электри­

59

ческому шуму присущ характер контактного. Для большинства образцов обнаружено линейное увеличение сопротивления с ростом растяжения при величинах деформации, больших 0,1%. Но в об­ ласти малых деформаций наблюдался различный характер изме­ нения сопротивления. Для ряда случаев найдена временная зави­ симость изменения электрических свойств волокон, в то время как их механическое состояние было стабильным. Было показано, что можно однозначно сопоставлять удельное сопротивление с моду­ лем Юнга для углеродных волокон одного типа без учета их диа­ метра.

Структура углеродных волокон детально пока не известна. Тонкая структура углеродных волокон изучалась рентгеновскими методами [53—56, 69, 82, 85, 88, 96, 100—103] и с помощью просве­ чивающей электронной микроскопии [54—57, 73, 82, 88, 96, 101, 104—109].

Согласно последним данным [61, 109], углеродные волокна можно представить состоящими из длинных лентообразных стопок двумерно-упорядоченных графитовых базисных плоскостей (квазифибрилл), ориентированных в направлении оси волокна с отклонением в пределах +10°. Причем упаковке базисных плос­ костей в основном несвойствен трехмерный порядок в расположе­ нии атомов углерода («послойно-разориентированный» или «турбостратный» графит [96]). Такую упаковку в графите можно получить, если базисные слои будут произвольно ориентированы вокруг оси С, а расстояния между слоями и между атомами в базисном направлении останутся близкими к таковым для совершенного трехмерно-упорядоченного графита [53, 109].

Ориентация нормалей к базисным слоям в азимутальном на­ правлении носит случайный характер и в целом для волокна изо­ тропна [48]. Лентообразные кристаллические образования или квазифибриллы состоят из отдельных последовательных звеньев (квазикристаллитов) с более или менее плоскопараллельной упа­ ковкой базисных слоев [109]. Квазикристаллиты в каждой квази­ фибрилле слегка разориентированы между собой и разделяются наклонными границами и границами кручения [53, 61, 109]. Квази­ фибриллы пронизаны узкими длинными микропорами со средним радиусом инерции г в поперечном направлении около 10 А [53, 61, 85, 100, 109]. Размеры микропор в продольном направлении со­ ставляют 200—300 А [61]. Из-за микропористости среднее расстоя­ ние между квазифибриллами в поперечном направлении больше их поперечного размера в среднем на 5 А, а плотность волокна при­ близительно на 15% ниже плотности совершенного графита [53, 85]. Микропористость появляется в углеродных волокнах в процессе высокотемпературной обработки при температуре выше 900° С [100]. Увеличение размеров микропор по мере увеличения темпера­ туры «графитизации» обусловлено уменьшением плотности точек соприкосновения вдоль каждой квазифибриллы [48, 109]. Средняя дезориентация квазифибрилл (по отношению к оси волокна) также

60