- •1Воронеж 2014
- •Введение
- •Глава 1. Металлы Общие сведения о металлах
- •1.1. Классификация металлов
- •1.2. Физико-механические свойства металлов
- •1.3. Общие химические свойства металлов
- •1.4. Черные металлы
- •1.4.1. Железо, кобальт, никель
- •1.4.2. Хром, молибден, вольфрам
- •1.4.3. Марганец, технеций, рений
- •1.4.4. Ванадий, ниобий, тантал
- •1.5. Легкие металлы
- •1.5.1. Бериллий и магний
- •1.5.2. Алюминий
- •1.5.3. Титан
- •1.6. Цветные металлы
- •1.6.1. Медь, серебро, золото
- •1.6.2. Цинк и кадмий
- •1.6.3. Олово и свинец
- •1.7. Особенности эксплуатации металлов и сплавов в нефтегазовом комплексе
- •Глава 2. Полимерные материалы и пластмассы Общие сведения о полимерах и пластмассах
- •2.1. Классификация полимеров
- •2.2. Способы получения полимеров
- •2.3. Свойства полимеров
- •2.4. Применение полимеров
- •2.5. Полимеры и пластмассы в нефтегазовом комплексе и промышленной теплоэнергетике
- •2.5.1. Трубы из высокопрочных пластмасс
- •2.5.2. Металлические и пластмассовые покрытия для труб
- •2.6. Трубопроводы из резиновых технических материалов
- •2.7. Неметаллические трубы в нефтегазовом комп-лексе и промышленной теплоэнергетике
- •Глава 3. Композиционные материалы Определение композиционных материалов
- •3.1. Классификация композиционных материалов
- •3.2. Матричные материалы
- •3.3. Армирующие элементы
- •3.3.1. Металлические волокна
- •3.3.2. Стеклянные, кварцевые волокна
- •3.3.3. Углеродные волокна
- •3.3.4. Органические волокна
- •3.3.5. Керамические волокна
- •3.3.6. Нитевидные кристаллы (усы)
- •3.4. Углерод-углеродные, керамические и гибридные композиционные материалы
- •Углерод-углеродные композиционные материалы
- •3.4.2. Керамические композиционные материалы
- •3.4.3. Гибридные композиционные материалы
- •3.5. Применение композиционных материалов
- •3.5.1. Применение композитов в авиа- и ракетостроении
- •3.5.2. Применение композитов при изготовлении товаров массового потребления
- •3.5.3. Перспективы применения композиционных материалов
- •Заключение
- •Библиографический список
- •Оглавление
- •Глава 1. Металлы
- •Глава 2. Полимерные материалы
- •Глава 3. Композиционные материалы……………129
- •Конструкционные материалы в авторской редакции
- •394026 Воронеж, Московский просп., 14
3.3.3. Углеродные волокна
Уникальным видом упрочняющих волокон являются углеродные волокна (УВ). Объем применения углеродных волокон при изготовлении композиционных материалов постоянно возрастает, что объясняется высоким уровнем их механических свойств. По удельным показателям углеродные волокна превосходят все жаростойкие волокна. Предел прочности высокомодульных УВ составляет 2,5...3,5 ГПа. Модуль упругости Е равен 200...700 ГПа при плотности (1,6... 1.8)·10 кг/м3. Плотность углеродных волокон ниже, чем графита (2260 кг/м). Это различие объясняется большой пористостью волокон, их менее совершенной структурой. Для углеродных волокон характерна высокая химическая стойкость к действию большинства агрессивных сред.
Благодаря высокому уровню механических свойств, низкой плотности, высокой теплостойкости и другим свойствам углеродные волокна нашли широкое применение при изготовлении композиционных материалов с полимерной, углеродной, керамической и металлической матрицами.
Производство углеродных волокон основано на нагреве полимеров в инертной среде и их термической деструкции. Во время разложения полимеров образуются летучие продукты и остается твердый коксовый остаток. Преобразование органических волокон в углеродные волокна связано с протеканием сложных реакций, кардинальным изменением структуры при сохранении элементов первоначального полимерного скелета.
Для получения УВ используют только волокнистые полимеры, не плавящиеся при термической обработке, обеспечивающие в конечном продукте высокий выход по углероду и высокие механические свойства. Для получения УВ используют полиакрилонитрильные волокна (IIAH-B), гидратцеллюлозные волокна (вискозные ГЦ-В), богатые углеродом пеки (обыкновенные и мезофазные) и органические волокна, полученные из фенольных смол.
Волокна ПАН и ГЦ являются основными видами сырья при производстве углеродных волокон. Из полиакрилонитрильных волокон получают высокопрочные высокомодульные УВ. Достоинствами этого вида сырья является большой выход по углероду и более простая технология (более низкая температура нагрева материала). Недостаток заключается в выделении ядовитого вещества -синильной кислоты. Гидратцеллюлозные волокна лишены этого недостатка. Кроме того, они дешевле по сравнению с ПАН-волокнами.
Механические свойства углеродных волокон определяются особенностями строения исходных волокон, технологией термической обработки, дефектами конечной структуры. В зависимости от характера и плотности дефектов внутреннего и поверхностного строения разброс показателей механических свойств углеродных волокон может быть весьма значительным.
При производстве композиционных материалов в основном используют углеродные волокна с высоким уровнем механических свойств.
Отличительной особенностью углеродных волокнистых материалов является их очень высокая теплостойкость. При нагревании в инертной среде предел прочности и модуль упругости УВ не изменяются до температуры 1500 °С. С целью предохранения поверхности УВ от окисления волокна защищают покрытиями из пироуглерода, оксидов, нитридов, тугоплавких карбидов.