Введение к работе
Актуальность темы. Уникальные эксплуатационные свойства углеродных волокон во многом обусловлены особенностями микроструктуры, в том числе размерами областей когерентного рассеяния (ОКР) и высокой степенью их текстуры относительно оси нитей. Процесс получения углеродного волокна на основе полиакрилонитрила многостадиен, включает низкотемпературную (200 - 300С) термостабилизацию и высокотемпературную термомеханическую обработку, которую проводят в два этапа - при температурах до 2500С и, для решения специальных задач, при ~3000С. Во время высокотемпературной термомеханической обработки в материале термостабилизированной нити (средние размеры ОКР ~1 нм) происходит существенное увеличение содержания углерода (карбонизация) и развивается процесс перекристаллизации. В результате этого средние размеры ОКР в направлении 002 высокопрочных волокон составляют 2-5 нм, высокомодульных ~10 нм.
Высокая степень текстуры материала высокомодульного углеродного волокна формируется на всех этапах высокотемпературной термомеханической обработки. Однако такая особенность установления равновесия в наноструктурированной системе не всегда учитывается в полной мере. Отсутствуют систематические и детальные исследования влияния температурно-временных режимов термообработки, величины вытяжки материала нити не только на текстуру материала, взаимосвязь размеров и ориентировки областей когерентного рассеивания относительно оси нити, но и на пространственную однородность волокна. Следует также отметить, на процесс формирования тонкой структуры углеродного волокна оказывают борсодержащие добавки. Этот вопрос также требует дополнительного и более детального исследования.
Сочетание уникальных физико-механических свойств углеродных волокон (в том числе прочности до 7 ГПа, модуля упругости до 700 ГПа и удельного веса меньше 2 г/см ) обуславливает широкое применение таких материалов в передовых областях, обеспечивающих технический и технологический прогресс. В то же время в настоящее время являются не решенными в полном объеме задачи оптимизации технологии производства, разработки научно-обоснованных приемов, обеспечивающих снижение себестоимости и повышение физико-механических свойств углеродного волокна. Работа в этом направлении тесно связана с решением фундаментальной проблемы физики неравновесных состояний конденсированных
веществ - установлением закономерностей перехода наноструктурированной системы в более равновесное по дисперсному и фазовому составу состояние, выявлением взаимосвязи структуры и свойств материалов. Поэтому научная и практическая актуальность исследования не вызывает сомнений.
Цель диссертационной работы:
Установление взаимосвязи условий синтеза, структуры, в том числе текстуры и свойств углеродного волокна, полученного на основе полиакрилонитрильных нитей.
Основные задачи работы:
Для достижения цели необходимо было решить следующие задачи:
детально изучить текстуру углеродных волокон, полученных при температурах -2300 и ~3000С;
исследовать влияние температуры и продолжительности дополнительной высокоскоростной термообработки в интервале температур 3000 - 3150С на изменение размеров областей когерентного рассеяния, текстуры и свойств высокомодульного углеродного волокна;
изучить влияние дополнительной термомеханической обработки при -2300 и -3000С на структуру, в том числе текстуру, и свойства углеродных волокон, отличающихся фирмами - производителями;
исследовать влияние технологических режимов получения исходного полиакрилонитрильного волокна на его текстурные характеристики, а также на структурные параметры (размеры областей когерентного рассеивания и текстуру) получаемого при -2300 и ~3000С на его основе углеродного волокна;
изучить влияние добавки бора и температурно-временных режимов термообработки на процесс перекристаллизации, текстуру и свойства углеродного волокна.
Положения, выносимые на защиту:
Результаты исследования зависимости размеров областей когерентного рассеяния, межплоскостного расстояния от величины угла ориентации ОКР, а также текстуры углеродного волокна;
Результаты по влиянию температуры и продолжительности высокоскоростной термомеханической обработки при -3000 - 3150С на структуру и свойства высокомодульного углеродного волокна;
Результаты исследования влияния дополнительной термомеханической обработки при -2300 и -3000 - 3150С на структуру углеродных волокон, отличающихся фирмами - производителями;
Основные закономерности процесса структурообразования углеродного волокна в присутствие добавки бора;
Результаты текстурных исследований исходного полиакрилонитрильного волокна, изготовленного при различных условиях формования, а также полученного на его основе углеродного волокна при -2300 и -3000С.
Научная новизна работы. Детально изучена текстура углеродного волокна, полученного при различных режимах термомеханической обработки. Впервые установлено, что размеры областей когерентного рассеяния и межслоевое расстояние doo2 высокомодульного углеродного волокна зависят от угла ориентировки относительно оси нити.
Проведены систематические исследования влияния режимов
термомеханической обработки на текстуру, средние размеры и межслоевое расстояние, пространственную однородность и свойства углеродных волокон, в том числе дополнительной термомеханической обработки при -2300 и ~3000С на структуру, текстуру, и свойства углеродных волокон, отличающихся фирмами -изготовителями. Установлено, что активная направленная рекристаллизация и текструрирование материала высокомодульного углеродного волокна наблюдается в процессе дополнительной термомеханической обработки при ~3000С.
Получены новые данные по влиянию добавки бора и температурно-временных режимов термообработки на процесс перекристаллизации, текстуру и свойства углеродного волокна. Показано, что повышенное содержание бора обусловило формирование гетерогенной структуры углеродного волокна.
Для решения поставленных задач отработана методика текстурных исследований углеродных и полиакрилонитрильных волокон.
Практическая ценность работы. Полученные в ходе выполнения исследований результаты по влиянию температурно-временных режимов термообработки, а также добавки бора на изменение размеров областей когерентного рассеяния и текстуру материала могут быть использованы при оптимизации технологических процессов получения высокотекстурированных волокнистых углеродных материалов, обладающих высокими физико-механическими свойствами.
Личный вклад соискателя заключается в получении экспериментальных результатов по исследованию влияния режимов получения углеродного волокна на структуру и текстуру, проведении математических расчетов и непосредственном участии в обсуждении экспериментальных результатов.
Диссертация соответствует специальности 01.04.07. - Физика конденсированного состояния: п.З «Изучение экспериментального состояния конденсированных веществ (сильное сжатие, ударные воздействия, изменение гравитационных полей, низкие температуры), фазовых переходов в них и их фазовые диаграммы состояния» и п.6. «Разработка экспериментальных методов изучения физических свойств и создание физических основ промышленной технологии получения материалов с определенными свойствами».
Апробация работы. Основные положения и результаты работы представлялись на следующих конференциях: Третья Всероссийская конференция по наноматериалам «Нано 2009» (г. Екатеринбург, 2009); V Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Образование, наука, инновации-вклад молодых исследователей» (г. Кемерово, 2010); VII Всероссийская научная конференция «Керамика и композиционные материалы» (г. Сыктывкар, 2010); 7-я Международная конференция «Углерод: фундаментальные проблемы науки, материаловедение, технология. Конструкционные и функциональные материалы (в том числе наноматериалы) и технологии их производства» (г. Владимир, 2010); Международная заочная научно-практическая конференция «Актуальные проблемы науки», (г. Тамбов, 2011)
Публикации. По теме диссертационной работы опубликованы 4 статьи, и 5 тезисов докладов Всероссийских и Международных научных конференций и семинаров.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, выводов, списка литературы из 135 наименований. Содержание работы изложено на 134 страницах, иллюстрировано 41 рисунком и 28 таблицами.
Похожие диссертации на Влияние условий термомеханической обработки на структуру и свойства углеродного волокна
