A szénszál vékony , 5-10 mikron átmérőjű , főként szénatomokból álló szálakból álló anyag . A szénatomok mikroszkopikus kristályokká egyesülnek egymással párhuzamosan; a kristály igazítás nagyobb szakítószilárdságot ad a szálnak. A szénszálakat nagy szakítószilárdság, alacsony fajsúly , alacsony hőtágulási együttható és kémiai tehetetlenség jellemzi .
Először Edison amerikai feltaláló javasolta és szabadalmaztatta 1880-ban a szénszálak gyártását és használatát elektromos lámpák izzószálaira . Ezeket a szálakat pamut- vagy viszkózszálak pirolízisével állították elő, és nagy porozitás és törékenység jellemezte őket.
A szénszálak iránti másodlagos érdeklődés akkor jött, amikor rakétahajtóművek gyártásához alkalmas anyagokat kerestek . Minőségüket tekintve a szénszálak bizonyultak az egyik legalkalmasabb erősítőanyagnak erre a feladatra, mivel nagy hőstabilitásúak, jó hőszigetelő tulajdonságokkal, gáz- és folyékony közegekkel szembeni korrózióállósággal, nagy fajszilárdsággal és merevséggel rendelkeznek.
1958- ban az USA -ban viszkózszálakon alapuló szénszálakat szereztek be . Az új generációs szénszálak gyártása során a hidratált cellulóz (GTZ) szálak lépcsőzetes magas hőmérsékletű kezelését alkalmazták (900 °C, 2500 °C), amely lehetővé tette a 330-1030 M Pa szakítószilárdsági értékek elérését. és 40 G Pa rugalmassági modulusa . Valamivel később (1960-ban) egy technológiát javasoltak 20 GPa szilárdságú és 690 GPa rugalmassági modulusú rövid, egykristályos grafitszálak ("whiskers") előállítására. A whiskereket elektromos ívben növesztettük 3600 °C hőmérsékleten és 0,27 MPa (2,7 atm) nyomáson. Az évek során sok időt és figyelmet szenteltek ennek a technológiának a fejlesztésére, de ma már ritkán használják a szénszál-előállítás más módszereihez képest magas költsége miatt.
A Szovjetunióban szinte ugyanabban az időben , és valamivel később, 1961- ben Japánban poliakrilnitril (PAN) alapú szénszálakat készítettek. Az első PAN alapú szénszálak jellemzői nem voltak magasak, de a technológia fokozatosan fejlődött, és 10 év elteltével (1970-re) 2070 MPa szakítószilárdságú és 480 GPa rugalmassági modulusú PAN szálakon alapuló szénszálakat kaptak. . Ezzel egyidejűleg megmutatták annak lehetőségét, hogy ezzel a technológiával még magasabb mechanikai jellemzőkkel rendelkező szénszálakat állítsanak elő: akár 800 GPa rugalmassági modulussal és 3 GPa-nál nagyobb szakítószilárdsággal. 1970-ben Japánban is előállították a kőolaj-szurok alapú HC- ket .
Chen és Chun[ ki? ] vizsgálta a szénszál szilícium -dioxid hozzáadásával a betonszárítási zsugorodásra gyakorolt hatását, és arra a következtetésre jutott, hogy a szénszál térfogataránya 0,19% (5 mm átlagos szálhosszúság és 10 μm átmérő mellett) mikroszilícium-dioxiddal. 15 tömeg% cement aránya a száradási zsugorodást 84%-ra csökkentette. A kutatók azt találták, hogy a szénszál mikroszilícium-dioxiddal történő használata javíthatja az olyan tulajdonságokat, mint a nyomószilárdság és a kémiai ellenállás [1] .
Alhadisi Abdul Kadeer és mások a szénszálas adalékanyagok hatását vizsgálták a könnyűbeton mechanikai tulajdonságaira . A rostot 0,5%, 0,1%, 1,5 térfogat% arányban adtuk hozzá. Minden kompozíciót megnövelt nyomószilárdság és szakítószilárdság, valamint körülbelül 30%-os, 58%-os és 35%-os hajlítási ellenállás jellemezte a referenciakeverékhez képest [2] .
A CF-t általában vegyi vagy természetes szerves szálak hőkezelésével nyerik , amelyekben főleg szénatomok maradnak a rostanyagban. Ez a feldolgozás több lépésből áll. Ezek közül az első az eredeti ( poliakrilnitril , viszkóz) szál oxidációja levegőn 250 °C hőmérsékleten 24 órán keresztül. Az oxidáció eredményeként létraszerkezetek képződnek, amelyek a 1-1. egy.[ pontosítás ] Az oxidációt egy karbonizációs szakasz követi - a szál hevítése nitrogénben vagy argonban 800 és 1500 °C közötti hőmérsékleten. A karbonizáció hatására grafitszerű szerkezetek keletkeznek. A hőkezelési folyamat 1600-3000 °C-os grafitozással zárul, amely szintén inert környezetben megy végbe. A grafitizálás eredményeként a szálban lévő szén mennyisége 99%-ra emelkedik. A közönséges szerves szálak (leggyakrabban viszkóz és poliakrilnitril) mellett speciális fenolgyantákból, ligninből, szénből és kőolajszurokból származó szálak használhatók szénhidrogének előállítására .
A szénszálak különféle formában állíthatók elő: vágott (vágott, rövid) szálak , folytonos szálak, szövött és nem szőtt anyagok. A legelterjedtebb terméktípusok a kócok, fonalak , előfonatok , nem szőtt vásznak. Minden típusú textiltermék gyártása hagyományos technológiákkal történik, csakúgy, mint más típusú szálak esetében. A textiltermék típusát a szénhidrogének kompozit anyagban való tervezett felhasználása határozza meg, csakúgy, mint magát a kompozit előállításának módját.
A szénszálakkal megerősített kompozitok előállításának fő módszerei általánosak a rostos anyagoknál: kirakás, fröccsöntés , pultrúzió és mások. Jelenleg számos típusú szénhidrogént és szénhidrogént állítanak elő, amelyek közül a legfontosabbak az alábbiakban találhatók.
A CF-ek kivételesen nagy hőállósággal rendelkeznek : 1600-2000 °C -ig terjedő hőhatás alatt, oxigén hiányában a szál mechanikai tulajdonságai nem változnak. Ez előre meghatározza a szénhidrogének hőpajzsként és hőszigetelő anyagként történő alkalmazásának lehetőségét a magas hőmérsékletű technológiában. A szén-szén kompozitok szénhidrogének alapján készülnek , amelyeket nagy ablatív ellenállás jellemez.
A szénhidrogének ellenállnak az agresszív kémiai környezetnek, azonban oxigén jelenlétében hevítve oxidálódnak . Maximális üzemi hőmérsékletük a levegőben 300-370 °C. A szénhidrogénekre vékony karbidréteg, különösen SiC vagy bór-nitrid réteg lerakása lehetővé teszi ennek a hátránynak a nagymértékben kiküszöbölését. Magas vegyszerállósága miatt a szénhidrogéneket agresszív közegek szűrésére , gáztisztításra, védőruházat gyártására stb.
A hőkezelés körülményeinek változtatásával lehetőség nyílik különböző elektrofizikai tulajdonságú szénhidrogének előállítása ( 2⋅10 -3 és 10 6 Ohm/cm közötti térfogati elektromos ellenállás ) és különféle célú elektromos fűtőelemként történő felhasználása hőelemek gyártásához. stb.
A szénhidrogének aktiválásával nagy aktív felületű (300-1500 m²/g) anyagok keletkeznek, amelyek kiváló szorbensek . A katalizátorok szálra történő alkalmazása lehetővé teszi fejlett felületű katalitikus rendszerek létrehozását.
A CF-ek szilárdsága jellemzően 0,5-1 GPa nagyságrendű, modulusa 20-70 GPa, míg az orientációs húzásnak alávetettek szilárdsága 2,5-3,5 GPa (milyen szálvastagságnál?) , modulusa pedig 200- 450 GPa. A mechanikai tulajdonságok fajlagos értékét (szilárdság és modulus/sűrűség arányát) tekintve alacsony sűrűség (1,7–1,9 g/cm³) miatt a legjobb szénhidrogének minden ismert hőálló rostos anyagot felülmúlnak. A CF fajlagos szilárdsága kisebb, mint az üvegszálak és az aramidszálak fajlagos szilárdsága . A szerkezeti szénműanyagokat nagy szilárdságú és nagy modulusú szénhidrogének alapján állítják elő polimer kötőanyagok felhasználásával . Szénhidrogéneken és kerámia kötőanyagokon, szénhidrogéneken és szénmátrixon, valamint szénhidrogéneken és fémeken alapuló kompozit anyagokat fejlesztettek ki, amelyek a hagyományos műanyagoknál súlyosabb hőmérsékleti hatásoknak is ellenállnak .
A HC-t kompozit, hővédő, vegyszerálló és egyéb anyagok megerősítésére használják különféle szénszál-erősítésű műanyagok töltőanyagaként . A szénhidrogének legterjedelmesebb piaca jelenleg a primer és másodlagos szerkezetek gyártása különböző gyártók repülőgépein, köztük olyan vállalatoknál, mint a Boeing és az Airbus (termékenként 30 tonnáig). A meredeken megnövekedett kereslet miatt 2004-2006. nagy volt a rosthiány a piacon, ami drágulni kezdett.
Szénhidrogénekből készülnek az elektródák , hőelemek , elektromágneses sugárzást elnyelő képernyők, az elektro- és rádiótechnikai termékek . A HC alapján merev és rugalmas elektromos fűtőtesteket kapnak, köztük az úgynevezett népszerű fűtőtesteket. "Szénfűtők", amelyek ruhákat és cipőket melegítenek. Az 1100 °C feletti hőmérsékleten üzemelő vákuumkemencékben a szénfilc az egyetlen lehetséges hőszigetelés . A kémiai tehetetlenség miatt a szénszálas anyagokat szűrőrétegként használják az agresszív folyadékok és gázok diszpergált szennyeződésektől, valamint tömítések és tömítések tisztítására. Az UVA és szénszálas ioncserélők a levegő tisztítására, valamint a gázok és folyadékok feldolgozására, az utolsó értékes komponensek kinyerésére, valamint az egyéni légzésvédő eszközök gyártására szolgálnak.
Az UVA-t (különösen az aktilént ) széles körben használják a gyógyászatban vér és más biológiai folyadékok tisztítására. A gennyes sebek, égési sérülések és diabéteszes fekélyek kezelésére szolgáló speciális törlőkendőkben nélkülözhetetlen az AUT-M szövet, amelyet a 80-as évek elején fejlesztettek ki, és az afganisztáni harci műveletek során teszteltek [3] . Gyógyszerként mérgezésre használják (a mérgek nagy felszívódási képessége miatt (például Belosorb vagy Svetlogorsk szorbens alapú AUT-MI), gyógyászati és biológiailag aktív anyagok hordozójaként .
A HC - katalizátorokat a szervetlen és szerves szintézis magas hőmérsékletű folyamataiban, valamint a gázokban lévő szennyeződések (CO CO 2 , SO 2 - SO 3 stb.) oxidálására használják. Széles körben használják a motorsport karosszériaelemeinek gyártásában , valamint sporteszközök (botok, evezők, sílécek, kerékpárvázak és alkatrészek, cipők) stb.
A szénszálat az építőiparban különféle külső megerősítési rendszerekben (EAS) használják - segítségével az épületek és építmények vasbeton, fém, kő és fa szerkezeti elemeit megerősítik annak érdekében, hogy kiküszöböljék az anyagromlás és a vasalás korróziójának következményeit. a működés közbeni tartós természeti tényezőknek és agresszív környezetnek való kitettség, valamint a szeizmikus erősítés eredménye . Ennek a módszernek a lényege, hogy az épületek és építmények működése során terhelést észlelő elemek szilárdságát szénszövetek, lamellák és rácsok segítségével növeljük. Az épületszerkezetek szénszálas megerősítése növeli a teherbírást anélkül, hogy megváltoztatná az objektum szerkezeti sémáját.
| Textilszálak | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Természetes (természetes) |
| ||||||
| Kémiai |
| ||||||