XIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Углеродные композиты в технике
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Данная тема очень актуальна на сегодняшний день, потому что композиты являются самыми популярными и часто применяемыми материалами в авиастроении и ракетостроении. Многие из таких материалов легче и прочнее наиболее подходящих по своим физическим свойствам металлических (алюминиевых и титановых) сплавов. В большинстве композитов (за исключением слоистых) компоненты можно разделить на матрицу (или связка) и включённые в неё армирующие элементы (или наполнители). В композитах конструкционного назначения армирующие элементы обычно обеспечивают необходимые механические характеристики материала (прочность, жёсткость и т. д.), а матрица обеспечивает совместную работу армирующих элементов и защиту их от механических повреждений и агрессивной химической среды. При совмещении армирующих элементов и матрицы образуется композиция, обладающая набором свойств, отражающими не только исходные характеристики его компонентов, но и новые свойства, которыми отдельные компоненты не обладают.
Цель работы: раскрыть важность углерода в авиастроении и ракетостроении, а также в медицине.
История открытия углерода и его свойства.
Углерод — это химический элемент четырнадцатой группы, 2-го периода периодической системы с атомным номером 6 и атомной массой 12.
Углерод известен человечеству с древнейших времен, прежде всего, как уголь и алмаз. Как индивидуальный химический элемент углерод был признан Лавуазье в конце XVIII в. и получил свое название (Carboneum) от латинского carbo - уголь. Ни один элемент Периодической системы Менделеева не обладает тем разнообразием свойств, иногда прямо противоположных, которое присуще углероду. Это эталон прозрачности и “абсолютно” черное тело; диа- и парамагнетик; диэлектрик и металл; полупроводник и полуметалл; сверхтвердый и сверхмягкий материал; теплоизолятор и один из лучших проводников тепла. Столь уникальные свойства - причина того, что и чистый углерод, и содержащие его материалы служат объектами фундаментальных исследований и применяются в бесчисленных технических процессах. Все это ярко свидетельствует о его огромной важности для цивилизации. Еще несколько десятилетий назад были известны три основных аллотропных формы углерода: алмаз, графит и карбин. Однако в последнее время были открыты новые модификации углерода, обладающие уникальными свойствами – фуллерены и углеродные нанотрубки.
Открытие углеродных композитных материалов
Углеродные композиционные материалы впервые были созданы в начале 60-х годов прошлого столетия одновременно с появлением высокопрочных углеродных волокон. Способ получения волокон из углерода – неплавкого и нерастворимого вещества – подсказан впервые Эдисоном и Сваном. Им удалось, нагревая органические волокна в определенных условиях, не разрушать их, а превращать в углеродные. Этот же принцип был использован в конце пятидесятых годов прошлого века, когда независимо друг от друга, в СССР, США и Японии развернулись исследования, положившие начало созданию промышленности углеродных волокнистых материалов (УВМ). За прошедшие годы в качестве исходного сырья для этих целей были испробованы практически все промышленные, а так же ряд специально полученных волокон. Однако большинство из них не удовлетворяло предъявленным требованиям, основные из которых – неплавкость или легкость ее придания, выход готового волокна и его высокие показатели.
Что такое композитные материалы?
Композитные материалы - это многокомпонентные материалы, состоящие из полимерной, металлической, углеродной, керамической или другой основы (матрицы, связующего), армированной наполнителями из волокон, нитевидных кристаллов, тонкодисперсных частиц и др. Путем подбора состава и свойств наполнителя и матрицы, их соотношения, ориентации наполнителя можно получить материалы с требуемым сочетанием эксплуатационных и технологических свойств.
Зачем нужныуглеродные композитные материалы и где они применяются и как на сегодняшние дни реализовано.
Углеродные композиционные материалы содержат углеродный армирующий элемент в виде дискретных волокон, непрерывных нитей или жгутов, войлоков, лент, тканей с плоским и объемным плетением, объемных каркасных структур. Волокна могут располагаться хаотически, одно-, двух- и трехнаправленно. Они применяются для изготовления изделий, работающих в наиболее сложных термически напряженных условиях, таких как: критические детали двигателей; высокотемпературные нагреватели и конструкции; тормозные диски современных высокоскоростных и тяжелогрузных гражданских самолетов, и автомобилей. Кроме того, возможно использование этих материалов и в других изделиях и конструкциях.
Композитная арматура — изделия из углеродных, базальтовых и стеклянных волокон с пропиткой синтетической смолой. Углепластиковая, базальтопластиковая и стеклопластиковая арматура применяется в строительстве. Ее механические свойства превосходят стальные аналоги. Углеродные изделия не ржавеют и в 10 раз легче стали.
На примере кампании Dipchel реализовала углеродные материалы следующих типов:
Двунаправленные углеродные ткани. Прочная во всех направлениях, такая ткань имеет широкий спектр применения. Разнонаправленность волокон позволяет армировать сложные поверхности. Ткани применяют в строительстве, автомобильной промышленности, при изготовлении спортивного инвентаря и пр.
Декоративные карбоновые ткани. По достоинству оценили преимущества углеродных тканей дизайнеры. Ткани с различной геометрией нитей, дополненные белым стекловолокном, желтым кевларом и другими композитными материалами, помогают создавать уникальный интерьер и дизайнерские изделия, но при этом сохраняют достоинства карбона.
Однонаправленные углеродные ленты. Применяются, когда необходимо достичь прочности в заданном направлении: для усиления железобетонных конструкций, укрепления несущих элементов зданий и сооружений. Термостойкость и электропроводимость позволяют применять карбоновую ленту при производстве оборудования для подогрева трубопроводов и резервуаров.
Препреги — полуфабрикаты для изготовления композитных деталей. Изготавливаются в виде холстов с пропиткой синтетическими смолами и применяются в разных отраслях.
Углеродный рукав. Композит в виде рукава заданного диаметра. Области применения: авиация (ответственные детали самолетов), космическая отрасль (корпусы ракет и пр.), строительство (мостовые конструкции, элементы ЛЭП), машиностроение (топливные баки, рамы, несущие элементы кузова и пр.), спорт (инвентарь: клюшки, весла, ракетки).
Углепластики. Получаются путем запекания углеродных холстов, пропитанных синтетическими термореактивными смолами. Предназначены для изготовления прочных, термостойких изделий с высокой степенью сопротивления агрессивным средам.
Структура углеродных композитных материалов.
По структуре наполнителя композитные материалы подразделяют на волокнистые (армированы волокнами и нитевидными кристаллами), слоистые (армированы пленками, пластинками, слоистыми наполнителями) и дисперсноармированные или дисперсноупрочненные (с наполнителем в виде тонкодисперсных частиц). Матрица в композитных материалах обеспечивает монолитность материала, передачу и распределение напряжения в наполнителе, определяет тепло-, влаго-, огне- и химическую стойкость.
Принципы получения углеродных волокон (УВ).
Как известно, механическая прочность твердых тел определяется силой межатомной связи этого вещества. Для твердого тела механическая прочность и твердость пропорциональны. Из природных тел наибольшую твердость имеет алмаз, в котором имеются прочные межатомные связи углерод-углерод. Вот эти связи и можно использовать для создания высокопрочных волокон. Связи углерод-углерод имеются не только в алмазе, но и в графите. Последний имеет слоистую структуру. Внутри слоев имеются прочные связи углерод-углерод, а между слоями межатомные связи углерод-углерод слабые, их называют Ван-дер-Ваальсовыми. Если чещуйки графита расположить вдоль волокон, то волокно получится прочное. Вопрос о том, как осуществить эту ориентацию? Возможны несколько вариантов:
1. механически вырезать чешуйки и механически их ориентировать;
2. расплавить углерод и направленно закристаллизовать;
3.расплавить высокомолекулярные углеводороды и после их механической однонаправленной ориентации закристаллизовать, а затем удалить все атомы кроме углерода;
4. это же самое можно сделать не в расплаве, а из раствора углерода;
5. на подложку в виде какого-то волокна нанести ориентированно слои графита или высокомолекулярного углеводорода, а затем подложку оставить или удалить.
Первый и второй варианты теоретически возможны, но потребуют очень больших энергетических затрат, т.е. не технологичны и не реальны. А вот 3-й, 4-й и 5-й варианты как раз и используются в промышленности. Рассмотрим их более подробно.
Существуют два термина “графитовые волокна” и “углеродные волокна”.
Термин “графитовые волокна” применяются к волокнам, подвергнутым температурной обработке при 1700 С, обладающих высокой степенью ориентации и имеющим высокий модуль упругости (345 ГПа)
Термин “углеродные волокна” применим к волокнам, термообработанным при 1700 С и имеющим малую степень ориентации и модуль которых не превышает 345 ГПа.
Общепринятая технология производства углеродного волокна основана на термической обработке различных органических волокон:
1. гидратцеллюлозных (ГТЦ), (вискозные),
2. полиакрилонитрильных (ПАН),
3. пека (смола из нефти или каменного угля),
4. полиэфиров,
5. полиамидов (-NH2), полиимидов (=NH),
6. поливинилового спирта (ПВС),
7. поливинилдехлорида,
8. поли-п-фенилена,
9. фенольных смол и т.д.
Из всех видов исходных волокон наиболее пригодными по технологическим и экономическим параметрам оказались ГТЦ (гидратцеллюлозы, вискозные), ПАН (полиакрилонирилов), из пека (смолы нефти- и угольные)Б которые на сегодня являются основным сырьем для изготовления УВ.
УВ, полученные из ГТЦ, были впервые исследованы еще в 1880 г. Они были использованы Т. Эдисоном в его первом патенте на лампы накаливания. Нить, которая была использована в лампе, получена в результате пиролиза хлопкового гидратцеллюлозного волокна. Нити были очень хрупкими, обладали высокой пористостью, что приводило к неравномерному их нагреву, а при высокой температуре они окислялись. В последующие 30 лет для преодоления этих недостатков был предложен метод пиролитического нанесения покрытий на волокно (пиролиз – превращение органических соединений с одновременной деструкцией их под действием высокой температуры). Приблизительно в то же время в лампах накаливания стали применять гибкую вольфрамовую проволоку и интерес к углеродным нитям угас и не возраждалсяло середины 50-х годов ХХ столетия. Термическая обработка исходных волокон в инертном газе при повышенной температуре 1000 С позволила получить волокна с пределом прочности при растяжении 275 МПа = 0,3 ГПа.
Возрождение интереса к УВ совпало с усиленными поисками армирующей составляющей, которую можно было бы использовать при создании ракет и ракетных двигателей. В 1959 г. фирма “Юнионкарбайд” начала выпускать углеродные ткани, нетканные материалы и пряжу, исходным сырьем для которых служило гидратцеллюлозное (ГТЦ, вискозное) волокно. Партия исходного материала подвергалась предварительному нагреву до температуры 900 С в среде инертного газа, а затем проводился процесс карбонизации (обуглероживание) при температурах, превышающих 2500 С (интенсивная сублимация, Тпл 3500 С при 100 тыс. ат.). Волокна, полученные этим методом, имели предел прочности при растяжении 0,3-0,9 ГПа, = 300-900 Мпа
Об использовании пеков при производстве УВ сообщили в 1965 г. Сначала волокна получали в основном формованием из расплавов изотропных пеков или аналогичных дешевых продуктов нефтепереработки. Эти волокна также подвергались окислению с последующей карбонизацией в инертной атмосфере при температуре 1000 С. Свойства таких изотропных волокон были весьма невысокими. Новый метод получения УВ из пека: пек переводился в жидкокристаллическую (мезоморфную) форму перед процессом прядения. Жидкокристаллическое состояние реализуется в процессе вытягивания в инертном газе при температуре 400-500 С. Пек, переведенный хотя бы частично в мезоморфную фазу, формуется, подвергается окислению и дальнейшей карбонизации при температуре 1000-3000 С. Волокна, полученные этим способом, обладают достаточно высокой степенью ориентации (анизотропией), что предопределено исходным, жидкокристаллическим состоянием. В 1975 г. получили УВ с модулем упругости 700 ГПа.
Достижения России в этом направлении.
ПАО «Авиационная корпорация «Рубин», основанная в 1946 году, является в настоящее время одним из ведущих научно-производственных предприятий авиационной промышленности России, традиционно специализирующееся в областях проектирования, производства и испытания агрегатов гидравлических систем и взлетно-посадочных устройств самолетов и других летательных аппаратов.
В последние десятилетия важным направлением стала разработка и производство авиационных тормозов на основе фрикционных композиционных материалов. Логическим развитием этого направления стала организация на ПАО АК «Рубин» производства изделий из углеродных композитов на базе современного технологического оборудования. Применение композиционных материалов позволяет снизить вес летательного аппарата на 10…50% в зависимости от типа конструкции и, соответственно, сократить расход топлива, повысив при этом надежность. Созданы также композиционные материалы, в которых пластиковая (полимерная) основа армируется стеклянными, кевларовыми или углеродистыми нитями.
Композиционные материалы широко используются в самолетостроении из-за их хороших весовых и механических характеристик, позволяющих создать легкие и прочные конструкции, работающие и при повышенных температурах. Отличительной особенностью российских фрикционных композиционных углеродных материалов от аналогичных материалов зарубежного производства является применение для их получения специальных связующих, что придает им ряд преимуществ по сравнению с зарубежными аналогами. В результате выполненных научно-исследовательских работ, на ПАО АК «Рубин» был успешно разработан, испытан и запущен в производство новый углеродный композиционный материал Термар-АДФ-ОС, который используется для тормозной системы самолетов.
Высокая плотность способствует повышению энергоемкости тормозов, а так же окислительной стойкости, прочности и износостойкости выпускаемых ПАО АК «Рубин» деталей, стабильности фрикционных характеристик, повышению надежности работы и ресурса тормозных дисков, сокращению простоев самолетов и уменьшению затрат на замену и ремонт тормозов.
Многие современные отечественные гражданские самолеты оснащены углеродными тормозами, которые разработаны и поставлены заказчикам с ПАО АК «Рубин».
В результате новых разработок, мы получили:
Возможность использовать относительно недорогое и недефицитное сырье отечественных и зарубежных производителей, широко применяющееся в других отраслях промышленности;
Более короткий технологический цикл – в 1,5-2 раза короче технологического цикла у зарубежных производителей;
Возможность и далее снижать себестоимость выпускаемой продукции с одновременным повышением ее качества.
Углеродная керамика.
Используют также и другую технологию углеродных материалов. Она включает смешение измельченной твердой фазы (наполнителя) с находящимся в вязкопластичном состоянии связующим, придание получающейся смеси нужной формы и последующую термообработку. В качестве наполнителей применяют достаточно большой набор твердых углеродистых веществ: каменноугольные, нефтяные и сланцевые коксы, термообработанный антрацит, сажу и т.д. Выбор связующего намного более ограничен, это, как правило, нефтяные и каменноугольные пеки. В композиции наполнитель-связующее применяется твердая фаза, уже прошедшая стадию карбонизации. В связи с этим процесс получения углеродного материала на ее основе есть процесс карбонизации связующего в присутствии порошка наполнителя.
Что такое углеродная нанотрубка?
Углеродная нанотрубка (сокр. УНТ) — это аллотропная модификация углерода, представляющая собой полую цилиндрическуюструктуру диаметром от десятых до нескольких десятков нанометров и длиной от одного микрометра до нескольких сантиметров (при этом существуют технологии, позволяющие сплетать их в нити неограниченной длины), состоящие из одной или нескольких свёрнутых в трубку графеновых плоскостей.
Свойства и преимущества углеродных нанотрубок.
Обладают адсорбционными свойствами. Могут хранить в себе различные газы, например, водород. Попав внутрь атомы и молекулы уже не могут выйти наружу, т.к. концы трубки запаиваются, а пройти через графеновые плоскости цилиндра они не могут, т.к. углеродные решетки слишком узки для большинства атомов,
Обладают капиллярным эффектом. Углеродные нанотрубки открытым концом втягивают в себя жидкие вещества и расплавленные металлы,
Улучшение эксплуатационных характеристик других материалов при добавлении в их структуру,
Высокая прочность. Углеродные нанотрубки прочнее лучших марок стали в 50-100 раз,
Имеют в шесть раз меньшую плотность, чем обыкновенная сталь. Это означает, что материалы на основе углеродных нанотрубок при одинаковом объеме будут в десятки раз прочнее. Нанокабель длиной от земли до луны, состоящий из одной углеродной нанотрубки, можно намотать на катушку размером с маковое зернышко,
Модуль юнга у углеродных нанотрубок вдвое выше, чем у обычных углеродных волокон,
Небольшая нить из углеродных нанотрубок диаметром 1 мм выдерживает груз весом 20 тонн, что в сотни миллиардов раз больше ее собственной массы,
Высокая огнестойкость,
Рекордно высокая удельная поверхность — до 2 600 м2/г,
Высокая гибкость. Их можно растягивать, сжимать, скручивать и пр., не опасаясь при этом повредить их каким-либо образом. Они напоминают жесткие резиновые трубки, которые не рвутся и не ломаются при различных механических нагрузках. Однако под действием механических напряжений, превышающих критические, нанотрубки не только не рвутся и не ломаются, а просто перестраиваются, сохраняя при этом высокую прочность, гибкость, прочие механические и электрические свойства,
Высокая устойчивость к изнашиваемости. Многоразовая деформация (тысячи и десятки тысяч циклов скручивания/раскручивания, сжатия/растяжения в минуту) нанотрубок никаким образом не влияет на их прочность, на их электро- и теплопроводность. Какие-либо признаки деформации либо износа при этом отсутствуют,
Повышенная электро- и теплопроводность.
Взаимная связь между электрическими и механическими свойствами,
Занимают промежуточное положение между кристаллами и отдельными атомами. Поэтому применение углеродныхнанотрубок будет способствовать миниатюризации устройств,
С помощью углеродных нанотрубок можно создавать полупроводниковые гетероструктуры, т.е. Структуры типа «металл/полупроводник» или стык двух разных полупроводников,
Обладая повышенной теплопроводностью, эффективно рассеивают тепло,
Ловят радиоволны частотой от 40 до 400 мгц (обычные ам и fм волны), а затем усиливают и передают их,
Получение углеродных нанотрубок.
К наиболее эффективным методам синтеза нанотрубок относятся:
Лазерная абляция,
Дуговая сварка,
Химическое осаждение подложки из газовой среды под действием катализатора при температуре 700°с (cvd).
Термическое распыление графитового электрода в плазме дугового разряда в атмосфере гелия.
Применение углеродных нанотрубок.
Микроэлектроника,
Ионисторы (ультраконденсаторы, суперконденсаторы),
Технический текстиль,
Высокопрочные волокна, нити,
Радиопоглощающие покрытия,
Автомобильные детали,
Зонды для атомно-силового микроскопа,
Элементы питания длительного срока эксплуатации,
Структурные композитные материалы с улучшенными эксплуатационными характеристиками,
Противообрастающие краски (для защиты подводных частей суден),
Газовые биосенсоры,
Проводящие пластмассы,
Плоские дисплеи,
Искусственные мышцы (искусственная мышца из скрученных нитей углеродных нанотрубок с добавлением парафина в 85 раз сильнее человеческой)
Фуллерен.
Фуллерен — молекулярное соединение, принадлежащее к классу аллотропных форм углерода и представляющее собой выпуклые замкнутые многогранники, составленные из чётного числа трёхкоординированных атомов углерода. Уникальная структура фуллеренов обуславливает их уникальные физические и химические свойства.
Преимущества и свойства фуллерена:
Материалы с применением фуллеренов обладают повышенной прочностью, износостойкостью, термо – и хемостабильностью и уменьшенной истираемостью,
Механические свойства фуллеренов позволяют использовать их в качестве высокоэффективной антифрикационной твердой смазки. На поверхностях контртел они образуют защитную фуллерено-полимерную плёнку толщиной десятки и сотни нанометров, которая защищает от термической и окислительной деструкции, увеличивает время жизни узлов трения в аварийных ситуациях в 3-8 раз, увеличивает термостабильность смазок до 400-500 °c и несущую способность узлов трения в 2-3 раза, расширяет рабочий интервал давлений узлов трения в 1,5-2 раза, уменьшает время приработки контртел,
Фуллерены способны полимеризоваться и образовывать тонкие пленки,
Резкое снижение прозрачности раствора фуллеренов при превышении интенсивности оптического излучения некоторого критического значения за счет нелинейных оптических свойств,
Возможность использования фуллеренов в качестве основы для нелинейных оптических затворов, применяемых для защиты оптических устройств от интенсивного оптического облучения,
Фуллерены имеют способность проявлять свойства антиоксиданта или окислителя. В качестве антиоксидантов они превосходят действие всех известных антиоксидантов в 100 — 1000 раз. Были проведены опыты на крысах, которых кормили фуллеренами в оливковом масле. При этом крысы жили вдвое дольше обычных, и, к тому же, демонстрировали повышенную устойчивость к действию токсических факторов.
Является полупроводником с шириной запрещённой зоны ~1.5 эв и его свойства во многом аналогичны свойствам других полупроводников,
Фуллерены с60, выступая в качестве лиганда, взаимодействуют с щелочными и некоторыми другими металлами. При этом образуются комплексные соединения состава ме3с60, обладающие свойствами сверхпроводников.
Получение фуллеренов.
Основными способами получения фуллеренов считаются:
Сжигание графитовых электродов в электрической дуге в атмосфере гелия при низких давлениях.
Сжигания углеводородов в пламени.
Применение фуллеренов.
Антистатические, противоизносные и антифрикционные полимеры, пластмассы.
Сорбенты для пищевой промышленности и очистки воды,
Лекарства и фармацевтические препараты,
Геомодификаторы трения,
Косметика.
В качестве добавки для получения синтетических алмазов методом высокого давления. Выход алмазов увеличивается на 30%,
Заключение.
На данный момент ведутся разработки и исследования других конструкционных материалов на основе углерода, позволяющих успешно применять изделия из них во многих отраслях машиностроения.
Как показывает практика, композитные материалы, несмотря на их высокую стоимость и сложности в производстве, могут стать самыми используемыми и удобными материалами при правильном применении. Композиционные материалы обеспечивают конструкции высокую прочность и износостойкость, а так же малый вес конструкции, что жизненно необходимо при проектировании авиационных и космических аппаратов. Кроме того, композиционные материалы не менее успешно применяются и в других областях, от машиностроения, до медицины. Широкие перспективы открываются в создании новых композиционных материалов с уникальными свойствами, что откроет новые горизонты во многих областях человеческой деятельности.
Источники.
Интернет источники:
http://втораяиндустриализация.рф/fulleren-allotropnaya-forma-ugleroda/
http://втораяиндустриализация.рф/uglerodnyie-nanotrubki-ih-proizvodstvo-svoystva-i-primenenie/
https://studfiles.net/preview/6382292/page:3/
http://acrubin.ru/primary-activity/production/23-grafit.html
https://graphite.in.ua/a204934-uglerodnye-nanotrubki-meditsine.html
Список литературы:
1. Справочник по композиционным материалам: в 2-х книгах. Кн.2 Под ред. Дж. Любина. - М.:Машиностроение, 1988
2. Зуев Н.И., Голиковская К.Ф. - Журнал "Известия Самарского научного центра Российской академии наук" Выпуск№ 4-2 / том 14 / 2012
3. Журнал "Актуальные проблемы авиации и космонавтики" Выпуск№ 6 / том 1 / 2010
4. Композиционные материалы в ракетно-космическом аппаратостроении Под ред. Гардымова Г.П. - СПб.:СпецЛит, 1999