Революционные идеи научно-технического прогресса невозможно реализовать без помощи конструкционных материалов

Ориентация относится к одному из важнейших элементов структуры и является характерной особенностью углеродных волокнистых материалов. Установлено, что на механические свойства волокна влияют аксиальная (вдоль оси волокна) и радиальная ориентация. Осевая ориентация зависит от природы исходного сырья, температуры обработки, вытягивания в процессе получения углеродного волокна. С повышением температуры термообработки ориентация углеродного волокна возрастает, особенно при температуре свыше 2000С. Вытягивание волокна в процессе термообработки способствует ориентации базисных плоскостей. Для углеродных волокон, полученных при высоких температурах термообработки и вытягивания, характерна необычайно высокая аксиальная ориентация базисных плоскостей.
Элементарные нити неоднородны по поперечному сечению. Радиальная ориентация зависит от тех же факторов, что и аксиальная, поэтому она изменяется симбатно с последующей. Эта закономерность особенно проявляется для слоев, близлежащих к поверхности волокна. Наиболее типичным показателем радиальной неоднородности является в углеродном волокне ядра и оболочки. С увеличением температуры термообработки и уменьшением скорости нагревания совершенствуется структура и уменьшается градиент радиальной ориентации волокна.
На рисунке 1. приведена трехмерная модель высокомодульного углеродного волокна из полиакрилонитрила, на которой видна слоистая структура, напоминающая годичные кольца роста древесины, переплетные базисные ленты, расположенные под разными углами к оси волокна.
Радиальная ориентация заметно влияет на свойства углеродного волокна. При быстром охлаждении (закалке) волокна появляются остаточные напряжения, приводящие к образованию дефектов и искажению прочности волокна. Влияние радиальной ориентации становится особенно заметно при получении высокомодульного углеродного волокна, то есть при высоких температурах термообработки.
Следует отметить, что совершенствование структуры (осевой и радиальной ориентации) влечет за собой снижение активности поверхности (химического потенциала), уменьшение смачиваемости волокна связующими и снижение сдвиговой прочности композита.

Рис. 1. Структурная модель углеродного волокна фортафил 5- (схема)

Рис. 2. Модель фибриллярной структуры углеродного волокна по Руланду.
Одна из особенностей, которыми обладают углеродные волокна, заключается в том, что они состоят из фибрилл (рис. 2), ориентированных оси волокна. Фибриллы состоят из переплетных лент, разделены порами, ориентированными вдоль оси волокна. Углеродное волокно диаметром (7-10) 10³ нм состоит из десятка тысяч фибрилл. В результате вытягивания и повышения температуры термообработки происходит выпрямление прочных участков базисных лент, улучшение их ориентации, рост размеров кристаллов и, как следствие этого, возрастание модуля упругости волокна.
Углеродные волокна представляют собой гетерогенную систему, состоящую из прямых базисных лент и пор. Агрегаты пакетов разделены гранями и порами диаметром 1нм. Цепи агрегатов, расположенные вдоль оси волокна, группируются в фибриллы длиной более 1·10³нм, грани раздела между агрегатами кристаллов могут быть расположены под разными углами к оси волокна. Толщина пакетов, участвующих в построении фибрилл, согласно различным источникам, составляет 2-11нм, что соответствует 7-30 слоям.
Основой структуры углеродных волокон являются базисные ленты, ориентированные вдоль оси волокна. Турбостратные кристаллы (пакеты), представляют наиболее совершенную структурную организацию углеродного волокна. Размеры лент значительно превышают размеры пакетов. Ленты являются проходными, участвуя в построении большого числа пакетов, и образуют пространственный полимер. Ленты состоят из прямых участков, входящих в пакеты, и искривленных участков, заполняющих межнасечное пространство. Концы лент могут находиться внутри пакетов и в межнасечном пространстве, создавая дефектность структуры. Ленты и пакеты имеют большое число дефектов, через которые обеспечивается связь между пакетами с помощью линейных цепочек углерода различных гибридных состояний. Между лентами, находящимися вне пакетов, а также между пакетами имеются поры. Размеры фибрилл в поперечном направлении (их ширина) определяются наименьшими энергиями суммарных связей между первичными элементами структуры за счет пор и дефектов.
В зависимости от температуры термообработки изменяются размеры пакетов, число и размеры переходных лент, входящих в пакеты, соотношение между амфорными (линейными) формами и организованным углеродом, число и характер дефектов. Формирование структуры по мере повышения температуры термообработки определяет физико-механические свойства углеродных волокнистых материалов.
Одним из характерных элементов структуры углеродных волокон являются закрытые поры, которые могут занимать до 30% объема волокна. Поры имеют иглоподобную форму; они расположены между базисными плоскостями и ориентированы вдоль оси волокна. Средний размер пор: длина 20-30нм, диаметр 1-2нм. Гетерогенность углеродных волокнистых материалов обуславливается диаметром пор, расстоянием между ними, площадью поверхностей пор и общей пористостью.
Значение диаметра пор определяется высокотемпературной обработкой и мало зависит от природы исходного сырья.
С ростом температуры термообработки происходит уменьшение числа пор и их укрупнение, ведущее за собой увеличение расстояния между ними и уменьшение площади поверхности пор. Перераспределение числа и размеров пор происходит симбатно с увеличением размеров пакетов.
Как указывалось выше, углеродные волокнистые материалы относятся к неграфитирующимся формам углерода. Неграфитируемость углеродных волокнистых материалов некоторые исследователи связывают с тем, что в неграфитирующемся углероде содержатся более мелкие турбостратные кристаллы, базисные плоскости искривлены в большей степени, пакеты соединены более термостойкими формами углерода. [4]