Углеродные композиты

Углеродная матрица в композите выполняет несколько основных функций: передает усилия на армирующие волокна, защищает их от физико-химического воздействия среды, изолирует волокна друг от друга, препятствуя их взаимному смещению. Метод формирования углеродной матрицы определяет ее структурно-фазовое состояние и свойства, а также в значительной степени влияет на качество композита в целом.

В соответствии с этим получают углеродные композиты типа стеклоуглерода и углерод-углеродного материала – УУКМ. Для данных целей наиболее широко применяют два основных метода: карбонизации углепластиковой заготовки и осаждения пироуглерода из газовой фазы в порах углеволокнистой матрицы.

С т е к л о у г л е р о д образуется при карбонизации заготовки, содержащей в качестве связующего широко распространенную фенолоформальдегидную смолу. При ее нагреве до температуры 800…1000⁰С в безокислительной среде протекают процессы термодеструкции и рекомбинации образовавшихся радикалов с последующим поликонденсационным отверждением получающейся коксовой матрицы. Выделяющиеся при этом газы вызывают образование в ней пористых стекловидных, а также кристаллических углеродных слоев. Это придает стеклоуглероду невысокий уровень физико-механических свойств: плотность величиной 1650 кг/м³, прочность при изгибе – 132 МПа, модуль упругости – 14,7 ГПа, которые обусловливают применение стеклоуглерода, в основном, для изготовления теплоизолирующих изделий.

К о м п о з и т У У К М получают с использованием метода карбонизации углепластиковой заготовки и применением дополнительных циклов пропитки связующим, а также карбонизации образовавшейся коксовой матрицы путем ее нагрева под давлением в автоклаве. Таким способом достигается повышение плотности и прочности получаемого композита. С этой же целью, кроме фенолоформальдегидной смолы, для изготовления углепластиковой заготовки применяют фурановые соединения, полиимиды, полифенилены, пеки.

Метод осаждения пироуглерода из газовой фазы осуществляется за счет диффузии и тероморазложения углеводородного газа в порах заготовки из углеводородных волокон. Пироуглерод образуется и осаждается на волокнах при действии высокой температуры в вакууме или под давлением в электропечи, формируя загттовку из углеродного композиционного материала.

В зависимости от требований к качеству композита применяется несколько технологических способов осаждения пироуглерода.

Изотермическое осаждение проводится в равномерно нагретой камере индукционной печи при температуре 900…1200⁰С под давлением 0,13…2 МПа в течение продолжительного времени. При этом целесообразным является получение тонкостенных заготовок, т.к. углерод заполняет, в основном, приповерхностные поры заготовки.

Термодинамическое осаждение предусматривает нагрев заготовки с одной стороны за счет ее размещения на специальном нагревателе и подачу углеводородного газа на ее менее нагретую сторону. В этих условиях термоосаждение начинается с более горячей стороны заготовки и распространяется с повышенной скоростью по всему ее объему. Данный процесс создает высокую плотность и прочность композита, что позволяет получать заготовки повышенной толщины.

Комбинированные матрицы углеродных композитов формируются путем насыщения пироуглеродом в изотермических условиях карбонизированного углепластика. Такое введение пироуглерода в коксовый материал заготовки улучшает его плотность за счет уменьшения открытой пористости и повышет термомеханические свойства. При этом вначале на каркас из углеродных волокон наносится пироуглерод при температуре 1100⁰С, затем производится его пропитка полимерным связующим и формование углепластиковой заготовки. После этого выполняется ее карбонизация при температуре 1000⁰С с последующим уплотнением пористой коксовой матрицы путем осаждения пироуглерода.

Свойства углеродных композитов превышают качества графита и углепластиков, особенно, по величине прочности при изгибе (σ_и до 640 МПа). Их прочность при разрыве составляет 190 МПа, модуль упругости – 2,8 ГПа, причем эти качества сохраняются в безокислительных условиях нагрева до температуры 2200^оС. Они обладают также высокой стойкостью к термоудару, низкими значениями ТКЛР и коэффициента теплопроводности, большой химической и фрикционной стойкостью. Применение углеродных композитов связано с изготовлением деталей теплозащитных конструкций, тяжелонагруженных тормозных устройств, химического машиностроения, атомного энергомашиностроения. Благодаря повышенным качествам биосовместимости углеродные композиты используются в биомедицинской технике.