Kolfiber är ett material som består av tunna filament med en diameter på 5 till 10 mikron , huvudsakligen bildade av kolatomer . Kolatomer kombineras till mikroskopiska kristaller inriktade parallellt med varandra; kristallinriktning ger fibern större draghållfasthet. Kolfibrer kännetecknas av hög draghållfasthet, låg specifik vikt , låg värmeutvidgningskoefficient och kemisk tröghet.
För första gången föreslogs och patenterades produktion och användning av kolfibrer 1880 av den amerikanske uppfinnaren Edison för glödtrådar i elektriska lampor . Dessa fibrer erhölls genom pyrolys av bomulls- eller viskosfibrer och kännetecknades av hög porositet och sprödhet.
Ett sekundärt intresse för kolfibrer kom när man letade efter material som lämpade sig för användning som komponenter för att tillverka raketmotorer . När det gäller deras kvaliteter visade sig kolfibrer vara ett av de mest lämpliga förstärkningsmaterialen för denna roll, eftersom de har hög värmestabilitet, goda värmeisoleringsegenskaper, korrosionsbeständighet mot gas och flytande medier, hög specifik hållfasthet och styvhet.
1958 erhölls kolfibrer baserade på viskosfibrer i USA . Vid tillverkningen av den nya generationens kolfibrer användes stegvis högtemperaturbehandling av hydratiserade cellulosafibrer (GTZ) (900 °C, 2500 °C), vilket gjorde det möjligt att uppnå draghållfasthetsvärden på 330–1030 M Pa och en elasticitetsmodul på 40 G Pa . Något senare (1960) föreslogs en teknik för framställning av korta enkristallfibrer ("whiskers") av grafit med en styrka på 20 GPa och en elasticitetsmodul på 690 GPa. Morrhåren odlades i en elektrisk ljusbåge vid en temperatur av 3600°C och ett tryck av 0,27 MPa (2,7 atm). Mycket tid och uppmärksamhet har ägnats åt att förbättra denna teknik genom åren, men den används nu sällan på grund av dess höga kostnad jämfört med andra metoder för att producera kolfibrer.
Nästan samtidigt i Sovjetunionen och något senare, 1961, i Japan , erhölls kolfibrer baserade på polyakrylnitril (PAN)-fibrer. Egenskaperna hos de första kolfibrerna baserade på PAN var inte höga, men tekniken förbättrades gradvis och efter 10 år (till 1970) erhölls kolfibrer baserade på PAN-fibrer med en draghållfasthet på 2070 MPa och en elasticitetsmodul på 480 GPa . Samtidigt visades möjligheten att erhålla kolfibrer med denna teknik med ännu högre mekaniska egenskaper: en elasticitetsmodul på upp till 800 GPa och en draghållfasthet på mer än 3 GPa. HC baserade på petroleumbeck erhölls 1970 även i Japan.
Chen och Chun[ vem? ] undersökte effekten av kolfiber med tillsats av kiseldioxid på betongtorkningskrympning och kom fram till att volymförhållandet kolfiber i mängden 0,19 % (med en genomsnittlig fiberlängd på 5 mm och en diameter på 10 μm) med en mikrokiseldioxid förhållande på 15 viktprocent cement, orsakade en minskning av uttorkningskrympningen upp till 84 %. Forskare har funnit att användningen av kolfiber med mikrosilika kan förbättra egenskaper som tryckhållfasthet och kemisk beständighet [1] .
Alhadisi Abdul Kadeer och andra har undersökt effekten av kolfibertillsatser på de mekaniska egenskaperna hos lättbetong . Fiber tillsattes i ett förhållande av 0,5%, 0,1%, 1,5% i volym. Alla kompositioner kännetecknades av ökad tryckhållfasthet och draghållfasthet, samt böjhållfasthet på cirka 30 %, 58 % respektive 35 % jämfört med referensblandningen [2] .
CF erhålls vanligtvis genom värmebehandling av kemiska eller naturliga organiska fibrer, där huvudsakligen kolatomer finns kvar i fibermaterialet. Denna bearbetning består av flera steg. Den första av dem är oxidationen av den ursprungliga ( polyakrylnitril , viskos) fibern i luft vid en temperatur av 250 ° C i 24 timmar. Oxidation resulterar i bildandet av stegstrukturer som visas i fig. 1-3. ett.[ förtydliga ] Oxidation följs av ett förkolningssteg - uppvärmning av fibern i kväve eller argon vid temperaturer från 800 till 1500 ° C. Som ett resultat av karbonisering bildas grafitliknande strukturer. Värmebehandlingsprocessen avslutas med grafitisering vid en temperatur på 1600-3000 °C, vilket också sker i en inert miljö. Som ett resultat av grafitisering bringas mängden kol i fibern till 99%. Förutom vanliga organiska fibrer (oftast viskos och polyakrylnitril) kan specialfibrer från fenolhartser, lignin, kol och petroleumbeck användas för att framställa kolväten .
Kolfibrer kan produceras i en mängd olika former: hackade (avskurna, korta) filament , kontinuerliga filament, vävda och ovävda material. De vanligaste typerna av produkter är tows, garn , roving , non-woven dukar. Tillverkningen av alla typer av textilprodukter sker med konventionell teknik, precis som för andra typer av fibrer. Typen av textilprodukt bestäms av den avsedda användningen av kolväten i ett kompositmaterial, precis som metoden att erhålla en komposit i sig.
De viktigaste metoderna för att erhålla kompositer förstärkta med kolfibrer är vanliga för fibrösa material: utläggning, formsprutning , pultrudering och andra. För närvarande produceras ett antal typer av kolväten och kolväten, varav de viktigaste listas nedan.
CFs har exceptionellt hög värmebeständighet : under termisk exponering upp till 1600-2000 ° C i frånvaro av syre förändras inte fiberns mekaniska egenskaper. Detta förutbestämmer möjligheten att använda kolväten som värmesköldar och värmeisolerande material i högtemperaturteknik. Kol-kol- kompositer är gjorda på basis av kolväten , som kännetecknas av hög ablativ motståndskraft.
Kolväten är resistenta mot aggressiva kemiska miljöer, men de oxiderar när de värms upp i närvaro av syre. Deras maximala driftstemperatur i luften är 300-370 °C. Avsättningen av ett tunt lager av karbider, i synnerhet SiC eller bornitrid , på kolvätena gör det möjligt att i stort sett eliminera denna nackdel. På grund av sin höga kemiska beständighet används kolväten för filtrering av aggressiva medier, gasrening, tillverkning av skyddsdräkter, etc.
Genom att ändra värmebehandlingsförhållandena är det möjligt att erhålla kolväten med olika elektrofysiska egenskaper ( volymetrisk elektrisk resistivitet från 2⋅10 −3 till 10 6 Ohm/cm) och använda dem som elektriska värmeelement för olika ändamål , för tillverkning av termoelement , etc.
Aktivering av kolväten ger material med en stor aktiv yta (300-1500 m² / g), som är utmärkta sorbenter . Appliceringen av katalysatorer på fibern gör det möjligt att skapa katalytiska system med en utvecklad yta.
Typiskt har CF:er en styrka i storleksordningen 0,5–1 GPa och en modul på 20–70 GPa, medan de som utsätts för orienteringsritning har en styrka på 2,5–3,5 GPa (för vilken fibertjocklek?) och en modul på 200– 450 GPa. På grund av den låga densiteten (1,7–1,9 g/cm³) i termer av specifikt värde (förhållandet mellan hållfasthet och modul till densitet) av mekaniska egenskaper, överträffar de bästa kolvätena alla kända värmebeständiga fibermaterial. Den specifika styrkan hos CF är sämre än den specifika styrkan hos glasfiber och aramidfibrer . Strukturella kolplaster erhålls på basis av höghållfasta och högmodulerade kolväten med hjälp av polymera bindemedel . Kompositmaterial baserade på kolväten och keramiska bindemedel, kolväten och en kolmatris, samt kolväten och metaller, har utvecklats som tål svårare temperaturpåverkan än konventionell plast .
HC används för att förstärka kompositmaterial, värmeavskärmande, kemikaliebeständiga och andra material som fyllmedel i olika typer av kolfiberarmerad plast . Den mest rymliga marknaden för kolväten för närvarande är produktionen av primära och sekundära strukturer i flygplan från olika tillverkare, inklusive företag som Boeing och Airbus (upp till 30 ton per produkt). På grund av den kraftigt ökade efterfrågan 2004-2006. Det rådde stor brist på fiber på marknaden, vilket ledde till att priset steg kraftigt.
Elektroder , termoelement , skärmar som absorberar elektromagnetisk strålning, produkter för el- och radioteknik är gjorda av kolväten . På basis av HC erhålls styva och flexibla elektriska värmare, inklusive de så kallade så kallade populära värmarna. "Carbon heaters" som värmer kläder och skor. Kolfilt är den enda möjliga värmeisoleringen i vakuumugnar som arbetar vid temperaturer på 1100 °C och över. På grund av den kemiska trögheten används kolfibermaterial som filterskikt för att rengöra aggressiva vätskor och gaser från dispergerade föroreningar, samt tätningar och packningar. UVA- och kolfiberjonbytare används för att rena luft, samt processgaser och vätskor, extrahera från de sista värdefulla komponenterna och tillverka personlig andningsskyddsutrustning.
UVA (särskilt aktylen ) används i stor utsträckning inom medicin för att rena blod och andra biologiska vätskor. I specialservetter för behandling av purulenta sår, brännskador och diabetiska sår är AUT-M-tyg, utvecklat i början av 80-talet och testat under stridsoperationer i Afghanistan, oumbärligt [3] . Som ett läkemedel används det för förgiftning (på grund av den höga förmågan att absorbera gifter (till exempel Belosorb eller AUT-MI baserat på Svetlogorsk sorbent), som bärare av medicinska och biologiskt aktiva substanser .
HC - katalysatorer används i högtemperaturprocesser för oorganisk och organisk syntes, såväl som för oxidation av föroreningar som finns i gaser (CO till CO 2 , SO 2 till SO 3 , etc.). Det används ofta vid tillverkning av kroppsdelar inom motorsport, såväl som vid produktion av sportutrustning (pinnar, åror, skidor, cykelramar och komponenter, skor) etc.
Kolfiber används i konstruktion i olika system för extern armering (EAS) - med dess hjälp förstärks konstruktionselement av armerad betong, metall, sten och trä i byggnader och strukturer för att eliminera konsekvenserna av materialförstöring och korrosion av armering som ett resultat av långvarig exponering för naturliga faktorer och aggressiva miljöer under drift, samt för seismisk förstärkning . Kärnan i denna metod är att öka styrkan hos element som uppfattar belastningar under driften av byggnader och strukturer, med hjälp av koltyger, lameller och galler. Förstärkning av byggnadskonstruktioner med kolfiber ökar bärigheten utan att ändra objektets strukturella schema.
| Textilfibrer | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Naturlig (naturlig) |
| ||||||
| Kemisk |
| ||||||