ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ ВЫТЯЖКИ И ГАЗОВОЙ СРЕДЫ ПРИ ГРАФИТАЦИИ НА КРИСТАЛЛИЧЕСКУЮ СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА ВЫСОКОМОДУЛЬНЫХ УГЛЕРОДНЫХ ВОЛОКОН НА ОСНОВЕ ПОЛИАКРИЛОНИТРИЛА
Аннотация
Исследовалось влияние условий вытяжки и газовой среды при графитации на кристаллическую структуру и свойства высокомодульных углеродных волокон (УВ) на основе полиакрилонитрила. Показано, что увеличение степени вытяжки до 8 – 10,5% исходного высокопрочного УВ при температуре 3000 °С приводит к уменьшению прочности УВ и росту модуля упругости. Использование галогенсодержащей среды при температуре графитации 2500 °С, не привело к снижению прочности полученных УВ, но привело к значительному увеличению модуля упругости, до 59%. Изучение кристаллической структуры полученных УВ проводили методами рентгеноструктурного анализа и Рамановской спектроскопии. Показано, что с увеличением степени вытяжки до 8 % наблюдается уменьшение межслоевого расстояния d002, рост высоты Lc и диаметра Lа кристаллитов. Методом рамановской спектроскопии было установлено, что параметр ID/IG (соотношению интегральных интенсивностей спектральных полос D и G) при этом уменьшается, что также соответствует увеличению степени совершенства кристаллической структуры УВ. На дифрактограмме видно влияние галогенсодержащей среды при температуре графитации 2500 °С на кристаллическую структуру УВ: наблюдается снижение полуширины пика 002, хотя межслоевое расстояние при этом не уменьшается, а на рамановком спектре наблюдается снижение отношения спектральных интенсивностей ID/IG, что подтверждает более высокую степень совершенства кристаллической структуры для УВ, прошедших графитацию в галогенсодержащей среде.
<span style="opacity: 0;"> . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . </span>
Литература
Meleshko A.I., Polovnikov S.P. Carbon, carbon fibers, carbon composites. M.: "SCIENCE PRESS". 2007. 192 p. (in Russian).
Morgan P. Carbon fibers and their composites. Boca Raton: Taylor & Francis. 2005. 1153 p. DOI: 10.1201/9781420028744.
Park S.-J. Carbon Fibers. Springer Series in Materials Sci-ence. Springer Netherlands. 2015. V. 210. 330 p.
Walsh P.J. In: Composites. ASM Handbook. Amsterdam: ASM International. 2001. V. 21. P. 105–119.
Frank E., Steudle L. M., Ingildeev D., Spörl J.M., Buchmeiser M.R. ChemInform Abstract: Carbon Fibers: Precursor Systems, Processing, Structure, and Properties. Angew Chem. Int. Ed. Engl. 2014. V. 53 (21). P. 5262–5298. DOI: 10.1002/anie.201306129. DOI: 10.3390/ma2042369.
Huang X. Fabrication and Properties of Carbon Fibers. Materials. 2009. 2. P. 2369-2403.
Company «TORAY»: [Electronic resource]. http: //www.to-ray.com
Company «Toho Tenax»: [Electronic resource]. https: // www.teijincarbon.com
Company "Mitsubishi Chemical Carbon Fiber and Compo-sites": [Electronic resource]. http: //mccfc.com/pan-fiber/
Company "Alabuga-Fiber": [Electronic resource]. http: //umatex.com.
High-strength carbon fiber harnesses of the brand "Rovilon-5,0". Specifications TU 1916 - 027 - 00200851 - 2009.
The carbon-fiber "VMN-4". Specifications TU 1916-122-00200851-2009.
Mayanov E.P., Verbets D.B., Bakhaeva E.V., Beilina N.Yu., Buchnev L.M., Danilov E.A., Dvoryanchikov Yu..M., Leonova T.V., Protsenko A.K., Samoylov V.M. Method of hardening of carbon fiber" RF Patent. N 2634450 of 30.10.2017. (in Russian).
Zhmurikov E.I. Bubnenkov I.A., Dremov V.V., Sa-marin S.I., Pokrovskiy A.S., Khar’kov D.V. Graphite in science and nuclear engineering. Novosibirsk: Publishing house SB RAS. 2013. 163 p. (in Russian).
Langford J.I. A rapid method for analysing the breadths of diffraction and spectral lines using the Voigt function. J. Appl. Cryst. 1978. V. 11. P. 10-14. DOI: 10.1107/ S0021889878012601.
Tuinstra F., Koenig J.L. Raman spectrum of graphite. J. Chem. Phys. 1970. V. 53. P. 1126 – 1130. DOI: 10.1063/1.1674108.
Ferrari A. C., Robertson J. Interpretation of Raman spectra of disordered and amorphous carbon. Phys. Rev. 2000. V. 61. N 20. P. 95–107.
Reich S., Thomsen C. Raman spectroscopy of graphite. Phil. Trans. R. Soc. Lond. 2004. V. 362. P. 2271–2288. DOI: 10.1098/rsta.2004.1454.
Cançado L.G., Takai K., Enoki T., Endo M., Kim Y.A., Mizusaki H., Jorio A., Coelho L.N., Magalhães-Paniago R., Pimenta M.A. General equation for the determination of the crystallite size La of nanographite by Raman spectrosco-py. Appl. Phys. Lett. 2006. V. 88. P. 3106–3109. DOI: 10.1063/1.2196057.
Verbets D.B., Buchnev L.M., Smyslov A.I., Eismont Z.V., Sergeev D.V. Study of the effect of orientation draw-ing (load) at the graphitization stage on the strength character-istics of hydrocarbons based on PAN fibers. Abstr. of. 9 th Int. Conf. "Carbon: fundamental problems of science, materi-als science, technology". M.: 2014. (in Russian).
Li D., Wang H., Wang X. Effect of microstructure on the modulus of PAN-based carbon fibers during high tempera-ture treatment and hot stretching graphitization. J. Mater. Sci. 2007. V. 42. P. 4642–4649. DOI: 10.1007/s10853-006-0519-4.
Liu F., Wang H., Xue L., Fan L., Zhu Z. Effect of micro-structure on the mechanical properties of PAN-based carbon fibers during high-temperature graphitization. J. Mater. Sci. 2008. V. 43. P. 4316–4320. DOI: 10.1007/s10853-008-2633-y.
Varshavsky V.Ya. Carbon fibers. M.: 2005. 500 p. (in Russian).
Verbets D.B., Buchnev L.M., Eismont Z.V., Sergeev D.V, Samoilov V.M. Influence of processing temperature in the range from 900 to 3200 С on strength and modulus of elasticity of carbon fibers on the basis of polyacrylonitrile. Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. 2014. V. 57. N 5. P. 43–48.
Avdeenko M.A., Bagrov G.N. Physico-chemical basis for the production of pure graphite. In: "Structural Graphite Ma-terials". N 1. M.: Metallurgiya. 1964. 352 p.
Hao Xiao, Yonggen Lu, Weizhe Zhao, Xianying Qin A comparison of the effect of hot stretching on microstructures and properties of polyacrylonitrile and rayon-based carbon fibers. J Mater Sci. 2014. 49:5017–5029. DOI 10.1007/s10853-014-8206-3.
