13.2. Углерод - углеродные композиционные материалы

На основе углеродных волокон делают самый теплостойкий угле­род-углеродный композит (УУКМ), в котором матрицей, склеивающей углеродные волокна, служит практически чистый углерод.

Наполнитель и матрица в УУКМ в зависимости от состава и усло­вий карбонизации могут иметь разные модификации. В принятой клас­сификации указывается сначала структура углерода-наполнителя, затем матрицы, например, графит-углеродный, графит-графитный и др.

Углерод-углеродные композиты содержат углеродный армирую­щий элемент в виде дискретных волокон непрерывных нитей или жгу-

тов, войлоков, лент, тканей с плоским и объемным плетением, объем­ных каркасных структур. Волокна располагаются хаотически, одно-, двух- и трехнаправленно. Используют волокна низкомодульные, высо­комодульные и высокопрочные, полученные из вискозных, полиакрилонитрильных волокон, каменноугольного и нефтяного пеков [подраз­деляются на изотропные и мезофазные (жидкокристаллические)], гидратцеллюлозы.

Углеродная матрица объединяет в одно целое армирующие эле­менты в композите, что позволяет наилучшим образом воспринимать различные внешние нагрузки. Определяющими факторами при выборе материала матрицы являются состав, структура и свойства кокса. В за­висимости от условий получения и поставленных задач наиболее часто в качестве матрицы в УУКМ применяют пироутлерод, стеклоуглерод, кокс с каменноугольного и нефтяного пеков, графит, пирографит, сажу и др. Стеклоуглерод - продукт термопереработки сетчатых полимеров. Исходным сырьем являются целлюлоза и синтетические смолы. Термин «пеки» употребляется для обозначения твердых в обычных условиях, но плавких продуктов термического превращения - асфальтосмолистых веществ, получаемых из нефти, каменного угля и др. Пеки в зависимо­сти от происхождения подразделяются на природные (нефтяные, ка­менноугольные) и синтетические, а по структуре на обычные и мезо­фазные (жидкокристаллические).

В конце двадцатого столетия на основе новых аллотропических модификаций углерода, таких как фуллерены и углеродные нанотрубки, начинают создавать принципиально новые типы УУКК, которые можно отнести к углеродным нанокомпозитам.

Углерод существует в нескольких модификациях, свойства которых резко различны: графит, алмаз, карбин (получен искусственно), лонсдеймит (получен искусственно, потом обнаружен в метеоритах) и фуллерит.

Фуллерены - аллотропические молекулярные формы углерода, в которых атомы расположены в вершинах правильных шести- и пяти­угольников, покрывающих поверхность сферы или сфероида. Эти моле­кулы были открыты в 1985 г. и могут содержать 28, 32, 50, 60, 70, 76 атомов (рис. 13.2). В 1990 г. была создана относительно простая и эф­фективная технология получения фуллеренов в макроскопических ко­личествах. В процессе дугового разряда с графитовыми электродами происходит термическое распыление графита, который затем конденси­руется. Конденсат, содержащий кроме сажи ~10-20% фуллеренов, по­мещают в органический растворитель (бензол, толуол), где фуллерен, в отличие от сажи, довольно хорошо растворяется. Затем С₆₀ и другие фуллерены выделяют из раствора методами перегонки.

Одно из перспективных направлений физикохимии фуллеренов связано с возможностью внедрения внутрь полой или сфероидальной молекулы одного или нескольких атомов и созданием, таким образом, нового класса композиционных материалов - нанокомпозитов, которые более подробно рассмотрены в гл.14.