Влияние режимов термомеханической обработки на структуру и свойства углеродного волокна Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Вестник Челябинского государственного университета. 2009. № 24 (162). Физика. Вып. 5. С. 54-57.

ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ

В. В. Чуриков, В. А. Тюменцев, С. А. Подкопаев, Е. Л. Перевозчикова

влияние режимов термомеханической обработки

НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА УГЛЕРОДНОГО ВОЛОКНА

Методом рентгеноструктурного анализа изучено влияние температурно-временных режимов высокотемпературной (~3000 °С) обработки углеродного волокна на его текстуру и свойства. Установлена взаимосвязь между температурно-временными режимами получения, структурой и физико-механическими свойствами углеродного волокна.

Ключевые слова: углеродное волокно, текстура, области когерентного рассеяния.

Во время высокотемпературной (~3000 °С) термомеханической обработки развивается процесс направленной в деформационном поле перекристаллизации наноструктури-рованного углеродного волокна, в результате которой средние размеры областей когерентного рассеивания (ОКР) L002 и L существенно увеличиваются, происходит также текстурирование материала. Текстура высокомодульного углеродного волокна является одним из важнейших параметров, определяющих его упруго-прочностные свойства, зависит, как и средние размеры ОКР, от режимов конечной высокотемпературной обработки [1-5]. Однако в литературе текстурным исследованиям углеродных волокон уделяется недостаточное внимание. В данной работе рассмотрено влияние продолжительности и температуры высокоскоростной обработки на структуру и свойства высокомодульного углеродного волокна, получаемого при температуре ~3000 °С.

Текстурные исследования выполнены с помощью рентгеновского дифрактометра D8 ADVANCE (фильтрованное СиКа-излучение). Для характеристики текстуры материала F использовали отношение площадей дифракционных максимумов 002 ОКР, ориентированных под углом ф к оси волокна, равным 0 и 1 градус, к сумме площадей всех регистрируемых максимумов ОКР, ориентированных в интервале углов ф

от 0 до 8 градусов (шаг регистрации 1 градус). Средние размеры ОКР и межплоскост-ное расстояние определяли по интегральной ширине и по центру тяжести дифракционных максимумов 002 и 110.

Для проведения исследования в качестве исходного материала использовали углеродное волокно, полученное на основе полиа-крилонитрильной нити при 2300 °С. Средние размеры L002 и Lш образцов исходного волокна, определенные методом рентгеноструктурного анализа, составляют ~2,2 и ~5,5 нм соответственно. При этом межплоскостное расстояние d002 = 0,3 5 4 нм, а ^10 = 0,121 нм. Высокотемпературную (~3000 °С) термообработку исходного углеродного жгута, состоящего из 7200 филаментов, проводили при постоянной вытягивающей нагрузке

1,5 кг.

экспериментальные результаты.

Высокотемпературная (~3000 °С) высокоскоростная термомеханическая обработка волокна активирует направленную перекристаллизацию наноструктурированного углеродного материала и сопровождается его удлинением. Величину относительного удлинения ДL жгута при каждом временном режиме термообработки устанавливали в интервале 5,5 ^ 7,5 % путем плавной корректировки температуры печи. Вследствие технических сложностей работы при столь высоких температурах были получены

углеродные волокна, несколько отличающиеся величиной ДL. Продолжительность обработки исходного углеродного волокна в изотермическом поле печи изменяли от 2,2 до 1,2 с, при этом пропорционально сокращали время переноса жгута в печь. В таблице приведены данные по средним размерам ОКР, межплоскостному расстоянию ё, фактору текстуры Ж и модулю упругости Е высокомодульных углеродных волокон, полученных при различных температурновременных режимах.

В результате термомеханической обработки в течение 2,2 с (относительное удлинение углеродного жгута ДЬ составило 5,6 %) формируется волокно, средние размеры ОКР которого Ь002 (при значении ф = 0 градусов) и Ь составляют ~9,7 и ~23,2 нм соответственно. По мере увеличения угла ф ориентации ОКР относительно оси нити происходит плавное уменьшение Ь002 до ~7,8 нм, при этом межплоскостное расстояние ё002 увеличивается от 0,3388 до 0,3400 нм (рисунок). Параметр текстуры полученного по такому

режиму углеродного волокна Ж равен 0,31. Повышение температуры термомеханической обработки до величины, обеспечившей возрастание относительного удлинения жгута ДЬ до 7,2 %, обусловило увеличение средних размеров Ь002 на ~5 %. При этом средние размеры Ь параметр текстуры Б и модуль упругости практически не изменились (таблица).

При сокращении времени переноса жгута в печь и продолжительности изотермической высокотемпературной обработки с целью обеспечения относительного удлинения жгута углеродного волокна ДЬ в пределах

5,5 + 7,5 % температуру печи постепенно повышали. После изотермической термомеханической обработки в течение 1,8 с (относительное удлинение жгута 5,5 %), формируются ОКР, средние размеры Ь002 (ф = 0 градусов) и Ь которых достигают значений 11,9 и 28,6 нм соответственно. Параметр текстуры углеродного волокна Ж = 0,30. Средние размеры ОКР Ь002 волокна, полученного при температурных режимах, обеспечивших

Зависимость средних размеров областей когерентного рассеивания (а, б) и межплоскостного расстояния (в, г) от угла ориентации ф относительно оси углеродного волокна, полученного при различных режимах термомеханической обработки

Параметры структуры и модуль упругости углеродного волокна, полученного при различных режимах термомеханической обработки (температура изотермической обработки 3000 3100 °С)

Время переноса в печь, с Продолжительность термообработки Дт, с ДЬ, % ^ Нм L002, нм а110= нм Ь110’ нм F, отн. ед. Модуль Юнга Е, ГПа

0,7 2,2 5,6 0,3388 9,7 0,1234 23,2 0,31 452

7,2 0,3380 10,2 0,1234 23,6 0,31 458

0,6 1,8 5,5 0,3372 10,6 0,1234 28,6 0,30 485

5,7 0,3368 11,9 0,1234 26,0 0,34 514

7,1 0,3367 12,6 0,1235 27,4 0,35 511

0,5 1,55 6,0 0,3377 10,1 0,1234 26,0 0,33 469

7,6 0,3373 13 0,1234 24,4 0,35 487

0,45 1,35 5,96 0,3372 9,4 0,1233 25,4 0,32 457

6,3 0,3382 11,4 0,1234 26,5 0,33 467

0,4 1,2 5,48 0,3379 9,4 0,1233 25,0 0,30 435

6,5 0,3371 10,3 0,1234 26,2 0,34 479

относительное удлинение 5,7 и 7,1 %, увеличиваются до 11,9 и 12,6 нм, а межплоскост-ное расстояние ¿002 постепенно уменьшается до 0,3367 нм. Фактор текстуры полученных по таким режимам углеродных волокон Г возрастает, равен 0,34 и 0,35, а модуль упругости Е достигает максимальных значений — 514 и 511 ГПа.

После высокотемпературной изотермической обработки в течение 1,55 с (ДЬ = 6 %) в наноструктурированном материале углеродного волокна формируются ОКР, средние размеры которых Ь002 и Ь110 составляют —10,1 и —26 нм и параметр текстуры Г = 0,33. Повышение температуры обработки (ДЬ возросло до 7,6 %) обусловливает увеличение фактора текстуры волокна Г до 0,35, при этом средние размеры ОКР Ь002 и Ь110 оказались равными —13 и —24,4 нм соответственно. Дальнейшее сокращение продолжительности высокотемпературной обработки до 1,35 и 1,2 с обуславливает некоторое уменьшение средних размеров ОКР Ь002, фактора текстуры волокна Г и модуля упругости. В этих случаях, как и в выше рассмотренных

экспериментах, наибольшим значениям относительного удлинения жгута ДЬ соответствуют более высокие значения фактора текстуры и модуля упругости углеродного волокна.

Перекристаллизация углеродного материала исходных волокон в процессе высокоскоростной высокотемпературной термомеханической обработки развивается направлено. В углеродных волокнах формируются ОКР, средние размеры Ь002 которых по мере увеличения угла ф ориентации относительно оси нити от 0 до 8 градусов существенно уменьшаются, а межплоскостное расстояние d002 увеличивается (см. рисунок). Причем зависимость Ь002 и ё002 от угла ф оказывается наибольшей для углеродных волокон, фактор текстуры которых более высокий.

Таким образом, при всех исследованных временных режимах термомеханической обработки повышение температуры (относительного удлинения жгута) обусловливает увеличение средних размеров ОКР Ь002 и повышение текстуры материала, что сопровождается увеличением модуля упругости.

Наиболее высокие значения степени текстуры F и модуля упругости E углеродного волокна достигаются при продолжительности изотермической обработки Ат ~ 1,8 с и относительном удлинении AL ~7 %.

Список литературы

1. Ozbek, S. Strain-induced density changes in PAN-based carbon fibers / S. Ozbek, D. H. Isaac // Carbon. 2000. Vol. 38. P 2007-2016.

2. Dobb, M. G. Structure-compressional property relations in carbon fibres // Carbon. 1995. Vol. 33, № 11. P. 1553-1559.

3. Naoyuki, O. Longitudinal compressive behaviour and microstructure of PAN-based carbon

fibres / O. Naoyuki, D. J. Johnson // Carbon. 2001. Vol. 39. P. 635-645.

4. Kim, H. S. Kinetikc studies on hot-stretching of polyacrylonitril-based carbon fibers by using internal resistance heating. Part I. Changes in resistivity and strain / H. S. Kim, M. Shioya, A. Takaku // J. of materials scince. 1999. Vol. 34. P 3299-3306.

5. Семенов, П. В. Формирование структуры углеродных волокон в процессе высокоскоростной высокотемпературной обработки / П. В. Семенов, В. А. Тюменцев, А. А. Свиридов,

С. А. Подкопаев, Г П. Швейкин // Журн. приклад. химии. 2003. Т. 76, вып. 5. С. 838-841.