Углеродные волокна

Углеро́дные воло́кна

Волокна, состоящие в основном из углерода. У. в. обычно получают термической обработкой химических или природных органических волокон, при которой в материале волокна остаются главным образом атомы углерода. Температура обработки может составлять менее 900 °С (такие У. в. содержат 85—90% углерода), 900—1500 °С (95—99%) или 1500—3000 °С (более 99%). Помимо обычных органических волокон (чаще всего вискозных и полиакрилонитрильных), для получения У. в. могут быть использованы специальные волокна из фенольных смол, лигнина, каменноугольных и нефтяных пеков.

У. в. могут иметь разнообразную текстильную форму, определяемую чаще всего формой исходного сырья (непрерывные или штапельные нити, жгуты, ленты, войлок, ткани и др.). Возможна также переработка У. в. в тканые и нетканые материалы с использованием обычного текстильного оборудования.

У. в. имеют исключительно высокую теплостойкость: при тепловом воздействии вплоть до 1600—2000 °С в отсутствии кислорода механические показатели волокна не изменяются. Это предопределяет возможность применения У. в. в качестве тепловых экранов и теплоизоляционного материала в высокотемпературной технике. На основе У. в. изготавливают армированные пластики, которые отличаются высокой абляционной стойкостью (см. Углеродопласты).

У. в. устойчивы к агрессивным химическим средам, однако окисляются при нагревании в присутствии кислорода. Их предельная температура эксплуатации в воздушной среде составляет 300—350 °С. Нанесение на У. в. тонкого слоя карбидов, в частности SiC, или нитрида бора позволяет в значительной мере устранить этот недостаток. Благодаря высокой химической стойкости У. в. применяют для фильтрации агрессивных сред, очистки газов, изготовления защитных костюмов и др.

Изменяя условия термообработки, можно получить У. в. с различными электрофизическими свойствами (удельное объёмное электрическое сопротивление от 2․10^-3 до 10⁶ ом ․см) и использовать их в качестве разнообразных по назначению электронагревательных элементов, для изготовления термопар и др.

Активацией У. в. получают материалы с большой активной поверхностью (300—1000 м²/г), являющиеся прекрасными сорбентами. Нанесение на волокно катализаторов позволяет создавать каталитические системы с развитой поверхностью.

Обычно У. в. имеют прочность порядка 0,5—1 Гн/м² (50—100 кгс/мм²) и модуль 20—70 Гн/м² (2000—7000 кгс/мм²), а подвергнутые ориентационной вытяжке — прочность 2,5—3,5 Гн/м² (250—350 кгс/мм²) и модуль 200—450 Гн/м² (20․10³—45․10³ кгс/мм²). Благодаря низкой плотности (1,7—1,9 г/м³) по удельному значению (отношение прочности и модуля к плотности) механических свойств У. в. превосходят все известные жаростойкие волокнистые материалы. На основе высокопрочных и высокомодульных У. в. с использованием полимерных связующих получают конструкционные углеродопласты. Разработаны композиционные материалы на основе У. в. и керамических связующих, У. в. и углеродной матрицы, а также У. в. и металлов, способные выдерживать более жёсткие температурные воздействия, чем обычные пластики.

Лит.: Конкин А. А., Углеродные и другие жаростойкие волокнистые материалы, М., 1974.

А. А. Конкин.