Углерод-углеродные материалы
УГЛЕРОД-УГЛЕРОДНЫЕ МАТЕРИАЛЫ, композиционные углеграфитовые материалы на основе углеродной матрицы и углеродных волокон. В качестве матрицы используют пироуглерод, коксовые остатки термореактивных смол, кам.-уг. или нефтяного пека, в качестве волокон-наполнителей - высокопрочные углеродные волокна - нити (непрерывные и рубленые), жгуты, ткани, пространств. конструкции из
волокна. Углерод-углеродные материалы по сравнению с графитом характеризуются низкой плотностью (вследствие пористости материала), высокими уд. прочностью и жесткостью, сохраняющимися неограниченно долго в инертных и восстановит, средах при т-рах до 3000 0C (при более высоких т-рах св-ва зависят от скорости сублимации углерода с пов-сти материала), а также пластич. характером разрушений.
Изделия из однонаправленно, перекрестно и хаотически армированных углерод-углеродных материалов получают карбонизацией соответствующих углепластиков при т-ре ок. 1000 0C или уплотнением пористой углеродной матрицы с помощью повторяющихся процессов пропитки волокон термореактивными смолами с послед, карбонизацией. Изделия из пространственно армированных материалов получают формированием углеродной матрицы в объеме предварительно изготовленного волокнистого каркаса путем карбонизации термопластичных пеков под давлением или осаждением на каркас углерода, образующегося при пиролизе газообразных углеводородов. Во всех случаях избегают деформирования исходного каркаса, к-рый до сформирования углеродной матрицы не обладает конструкц. жесткостью. С учетом конкретных условий эксплуатации изделия на практике проводят сочетание разл. технол. приемов с высокотемпературной обработкой в инертной среде или вакууме, что позволяет изменять структуру материала и регулировать объем пор. Предельная т-ра обработки всегда выше т-ры эксплуатации получаемых изделий. Во избежание остаточных внутр. напряжений при конструировании и изготовлении деталей изделий используют термостойкую оснастку из графита; конструирование деталей и схем их армирования обычно проводят по высокотемпературной технологии.
Физ.-мех. и теплофиз. св-ва углерод-углеродных материалов (см. табл.) существенно зависят от т-ры обработки и вида армирования. Для однонаправленно армированных углерод-углеродных материалов с общей пористостью ~ 12% предельные значения sраст, sизг, sсдв, и sсж могут достигать соотв. 600, 1200, 25 и 800 МПа. Коэф. температуропроводности колеблется от 5,5·10-3 м2/с (в плоскости армирования) до 3·10-3 м2/с (в перпендикулярном направлении). Электропроводность, уд. теплоемкость такие же, как и у исходных углеродных материалов. В окислит, средах углерод-углеродные материалы разрушаются с выделением оксидов углерода (на воздухе - при т-ре больше 400 0C, в водяном паре - больше 630 0C); электрохим. окисление может идти и при комнатной т-ре, причем скорость окисления зависит от плотности тока и приложенной разности потенциалов.
СВОЙСТВА УГЛЕРОД-УГЛЕРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ*
| | Армированные непрерывным волокном | Перекрестно армированные тканями | Пространственно армированные непрерывным волокном | |||||
| Показатель | однонаправленно | перекрестно | матрица из пиро-углерода | |||||
| Объемная плотн., г/см3 | 1,40 | 1,42 | 1,35 | 1,96 | 1,76 | 1,96 | ||
| Истинная плотн., г/см3 | 1,69 | 1,69 | 1,47 | 2,15 | 2,12 | 2,20 | ||
| Пористость, % | 12 | 10 | 10 | 3 | 12 | 3 | ||
| Сопротивление, МПа сжатию | | |||||||
| ось x | 50 | 40 | 60 | 160 | 240 | 140 | ||
| ось z | 400 | 200 | 100 | 180 | 220 | 275 | ||
| изгибу | | |||||||
| ось x | _ | _ | _ | 140 | 250 | 125 | ||
| ось z | 800 | 110 | 130 | 160 | 230 | 140 | ||
| растяжению | | |||||||
| ось x | 1,5 | 2,0 | 1,5 | 70 | 90 | 65 | ||
| ось z | 500 | 100 | 60 | 130 | 40 | 120 | ||
| Модуль Юнга, ГПа | 170 | 60 | 20 | 60 | 30 | 60 | ||
| Коэф. теплопроводности, Вт/(м·К)(З00 К) | | |||||||
| ось x | 3,7 | 3,7 | 4,7 | 6,7 | 7 | 70 | ||
| ось z | 60 | 34 | 14 | 90 | 5 | 80 | ||
| Температурный коэф. линейного расширения, 10-6K-1 | | |||||||
| ось x | 4,3 | 4,6 | 5,2 | 0,8 | 1,5 | 1,7 | ||
| ось z | 0,4 | 0,6 | 2,2 | 0,8 | 1,5 | 1,6 | ||
* х, z - осн. оси армирования образца. ** Содержит дополнит, степень армирования.
Углерод-углеродные материалы- конструкц. материалы для высокотемпературных узлов ракетной и авиац. техники, электротермич. оборудования.
Лит.: Термоустойчивость пластиков конструкционного назначения, под ред. Е.Б. Тростянской, M., 1980; Костиков В.И., "Ж. Всес. хим. об-ва им. Д. И. Менделеева", 1989, т. 34, в. 5, с. 492-501; Композиционные материалы, справочник под ред. В. В. Васильева, Ю. M. Тарнопольского, M., 1990. См. также лит. при ст. Композиционные материалы. С. А. Колесников.