Анализ факторов, влияющих на механические свойства углеродного волокна

Углеродное волокно, как высокопроизводительный композитный материал, широко применяется в аэрокосмической, автомобильной промышленности и других областях. В данной статье проанализированы основные факторы, влияющие на механические свойства углеродного волокна, включая сырьё, технологию производства, процессы последующей обработки и факторы окружающей среды. Систематическое исследование этих факторов направлено на предоставление теоретической базы и практических рекомендаций для исследований и применения углеродных волокон. Исследование показало, что выбор сырья, оптимизация технологии производства, улучшение процессов последующей обработки и контроль факторов окружающей среды существенно влияют на механические свойства углеродного волокна.

С развитием технологий углеродное волокно, как высокопроизводительный композитный материал, благодаря своей лёгкости, высокой прочности и коррозионной стойкости, получило широкое применение в аэрокосмической отрасли, автомобилестроении, производстве спортивного оборудования и других сферах. Однако механические свойства углеродного волокна зависят от множества факторов, таких как сырьё, технология производства, процессы последующей обработки и факторы окружающей среды. Поэтому глубокое изучение факторов, влияющих на механические свойства углеродного волокна, имеет важное значение для повышения характеристик и расширения применения этого материала. В данной статье представлен обзор факторов, влияющих на механические свойства углеродного волокна, с целью предоставления теоретической базы и практических рекомендаций для исследований и применения углеродных волокон.

1. Основные свойства и классификация углеродного волокна

1. Основные свойства углеродного волокна

(1) Углеродное волокно — это новый высокопроизводительный волокнистый материал, получаемый путём высокотемпературной карбонизации органических волокон, основным компонентом которого являются атомы углерода. Этот материал обладает множеством уникальных свойств, что обеспечивает его широкое применение в различных областях. Во-первых, плотность углеродного волокна чрезвычайно низкая, примерно в 4 раза меньше стали, что позволяет значительно снизить вес изделий и повысить прочность конструкций в аэрокосмической и автомобильной промышленности. Во-вторых, углеродное волокно обладает очень высокой прочностью и модулем упругости: предел прочности на растяжение достигает 3,5-7,0 ГПа, модуль упругости — 300-700 ГПа. Эти выдающиеся механические характеристики позволяют углеродному волокну сохранять стабильную форму при больших нагрузках. Кроме того, углеродное волокно обладает отличной коррозионной стойкостью и термостойкостью, что обеспечивает стабильность его свойств в экстремальных условиях.

(2) На микроструктурном уровне углеродное волокно состоит из большого количества атомов углерода, образующих sp2-гибридные орбитали, формирующие шестиугольную ячеистую плоскую структуру. Эти плоскости связаны между собой углерод-углеродными связями, образуя трёхмерную сетчатую структуру. Такая структура обеспечивает углеродному волокну хорошую электропроводность и теплопроводность, а также придаёт ему высокую химическую стабильность. Электропроводность углеродного волокна открывает широкие перспективы для применения в электромагнитном экранировании, датчиках и других областях; теплопроводность делает его уникальным материалом для теплоотвода и футеровки высокотемпературных печей. Кроме того, химическая стабильность углеродного волокна обеспечивает его долговечность в агрессивных средах, что делает его пригодным для морской инженерии, химического оборудования и других требовательных условий.

(3) Поверхностные свойства углеродного волокна также являются важным фактором, который нельзя игнорировать при его применении. Поверхность углеродного волокна обычно характеризуется низкой поверхностной энергией, что приводит к низкой адгезии с матрицей из смолы. Для улучшения сцепления углеродного волокна с матрицей часто проводят поверхностную обработку, такую как окисление поверхности или нанесение покрытий. Кроме того, морфология поверхности углеродного волокна влияет на его механические свойства. Например, шероховатость поверхности волокна и распределение диаметра волокон оказывают влияние на прочность на растяжение и модуль упругости углеродного волокна. Поэтому исследование и контроль поверхностных свойств имеют важное значение в процессе производства и применения углеродного волокна.

2. Классификация углеродного волокна

(1) Углеродное волокно в зависимости от метода производства и сырья делится на две основные категории: углеродное волокно на основе полиакрилонитрила (PAN) и углеродное волокно на основе нефтяного пека. Углеродное волокно на основе полиакрилонитрила является наиболее широко используемым типом, сырьём для которого служат полиакрилонитрильные волокна, подвергающиеся высокотемпературной карбонизации. Этот тип углеродного волокна обладает отличными механическими свойствами и химической стабильностью, широко применяется в аэрокосмической отрасли, производстве спортивного оборудования, автомобилестроении и других сферах. Углеродное волокно на основе нефтяного пека получают путём высокотемпературной карбонизации нефтяного пека; оно относительно дешевле, но его механические свойства и химическая стабильность несколько уступают углеродному волокну на основе полиакрилонитрила. Углеродное волокно на основе нефтяного пека имеет хорошие перспективы применения в композитных материалах и строительном армировании.

(2) В углеродном волокне на основе полиакрилонитрила, в зависимости от технологии производства, выделяют предварительно окисленное углеродное волокно и непосредственно окисленное углеродное волокно. Предварительно окисленное углеродное волокно получают путём предварительной окислительной обработки поверхности полиакрилонитрильных волокон, частично превращая их в углеродное волокно, а затем подвергают карбонизации. Такое углеродное волокно характеризуется низкой усадкой и высокой прочностью, подходит для аэрокосмической отрасли и других областей с высокими требованиями к характеристикам. Непосредственно окисленное углеродное волокно получают путём прямой окислительной обработки полиакрилонитрильных волокон с последующей карбонизацией. Технология производства этого типа проще и дешевле, но характеристики немного уступают предварительно окисленному углеродному волокну.

(3) Помимо двух основных типов углеродного волокна, существуют и другие специальные виды, такие как вискозное углеродное волокно и полиэтиленовое углеродное волокно. Вискозное углеродное волокно получают путём высокотемпературной карбонизации вискозных волокон; технология производства схожа с углеродным волокном на основе полиакрилонитрила, но стоимость ниже. Полиэтиленовое углеродное волокно получают из полиэтилена путём высокотемпературной карбонизации; оно обладает хорошей коррозионной и термостойкостью, подходит для химической и нефтяной промышленности. Кроме того, существуют новые типы углеродного волокна, такие как углеродные нанотрубки и графен, которые обладают более высокой прочностью и электропроводностью и, вероятно, найдут более широкое применение в будущем.

3. Особенности структуры углеродного волокна

(1) Особенности структуры углеродного волокна проявляются главным образом в его микроструктуре. Углеродное волокно состоит из бесчисленного множества мелких атомов углерода, связанных ковалентными связями, которые располагаются в sp2-гибридных орбиталях, формируя шестиугольную ячеистую плоскую структуру. Такая структура придаёт углеродному волокну очень высокую прочность и модуль упругости, сохраняя при этом лёгкость. Плоская структура углеродного волокна образует непрерывную цепочку атомов углерода вдоль оси волокна, а в поперечном направлении связана углерод-углеродными связями, формируя трёхмерную сетчатую структуру. Эта уникальная структура обеспечивает углеродному волокну выдающиеся механические свойства и химическую стабильность.

(2) Поверхностная структура углеродного волокна также является одной из его характеристик. Поверхность углеродного волокна обычно довольно гладкая, но с помощью специальных технологий обработки поверхности, таких как окисление, покрытие и др., можно изменить его поверхностные свойства, повысить адгезию с матрицами, такими как смолы. Поверхностная энергия углеродного волокна относительно низкая, что способствует его применению в композитных материалах, но одновременно требует обработки поверхности для усиления взаимодействия с смолой. Кроме того, шероховатость поверхности углеродного волокна, распределение диаметра волокон и другие параметры также влияют на его механические свойства.

(3) Внутренняя структура углеродного волокна также характеризуется его пористой структурой. В процессе изготовления углеродного волокна образуется определённое количество пор, которые способствуют улучшению теплопроводности и электропроводности материала, а также облегчают проникновение и распределение смолы в композитном материале. Пористость, размер и распределение пор оказывают значительное влияние на механические свойства углеродного волокна и эксплуатационные характеристики композитов. Оптимизация пористой структуры позволяет дополнительно улучшить механические свойства углеродного волокна и общие характеристики композитных материалов.

4. Области применения углеродного волокна

(1) Применение углеродного волокна в аэрокосмической отрасли особенно заметно. Благодаря своим лёгким и прочным характеристикам, углеродные композиты широко используются в конструктивных элементах самолётов, таких как крылья, фюзеляж, хвостовое оперение и др. Использование углеродных композитов позволяет значительно снизить вес самолёта, повысить топливную эффективность, а также увеличить прочность конструкции и её сопротивляемость усталости. Кроме того, углеродное волокно применяется в аэрокосмической отрасли для изготовления ключевых компонентов спутников, ракет и других космических аппаратов, а также для производства высокоэффективных бронежилетов и шлемов для индивидуальной защиты.

(2) В автомобильной промышленности применение углеродных композитов становится всё более распространённым. Углеродные композиты используются для изготовления кузовов автомобилей, шасси, подвесок и других компонентов с целью снижения веса транспортных средств, повышения топливной эффективности и ускорения. Применение углеродного волокна в автомобильной сфере способствует улучшению общих характеристик автомобиля и снижению воздействия на окружающую среду. Кроме того, углеродное волокно используется для производства высокопроизводительных спортивных автомобилей, гоночных машин и высококлассных компонентов для люксовых автомобилей, улучшая их внешний вид и функциональность.

(3) Применение углеродного волокна в области спортивного инвентаря также очень широко. Углеродные композиты благодаря своей высокой прочности, лёгкости и ударопрочности используются для изготовления клюшек для гольфа, теннисных ракеток, бадминтонных ракеток и другого спортивного оборудования. Эти изделия из углеродного волокна не только повышают результаты спортсменов, но и увеличивают срок службы инвентаря. Кроме того, углеродное волокно применяется для производства лыж, велосипедов и другого снаряжения для активного отдыха, обеспечивая спортсменам лучший опыт. С развитием технологий углеродного волокна его применение в спортивном оборудовании будет становиться ещё шире.