Введение ....................................................................................................................... 4
1. Обзор литературы ................................................................................................ 10
1.1 Углеродные и графитированные волокна. Свойства и методы получения .... 10
1.2 Полимерные композиционные материалы ............................................................. 18
1.2.1 Классификация композиционных материалов, типы адгезионной связи ...................... 18
1.2.2 Особенности композиционных материалы на основе коротких волокон ..................... 20
1.2.3 Методы изготовления композиционных материалов ...................................................... 24
1.3 Фенолформальдегидная смола. ................................................................................. 25
1.3.1 Механизм отверждения фенолформальдегидной смолы ................................................ 26
1.3.2 Химия карбонизации фенолформальдегидной смолы .................................................... 28
1.4 Карбонизация реактопластов, армированных углеродными волокнами ........ 35
1.4.1 Усадка матрицы ................................................................................................................... 36
1.4.2 Изменение прочностных характеристик матрицы ........................................................... 39
1.4.3 Влияние адгезионного взаимодействия волокно-матрица на механизм разрушения .. 40
1.5 Модификация поверхности углеродных волокон и её влияние на межфазную границу волокно-матрица в композиционных материалах ...................................... 42
1.5.1 Модификация поверхности углеродных волокон с изменением ее структуры ....... 43
1.5.2 Модификация поверхности углеродных волокон без изменения ее структуры ...... 43
2. Экспериментальная часть .................................................................................. 47
2.1 Материалы ...................................................................................................................... 47
2.2 Методы получения образцов ...................................................................................... 48
2.2.1 Удаление аппрета с волокна ............................................................................................... 48
2.2.2 Термообработка волокон .................................................................................................... 48
2.2.3 Получение заготовок углерод-углеродных композиционных материалов на основе фенолформальдегидной смолы и рубленого углеродного волокна ........................................ 50
2.2.4 Пиролиз модельных образцов ............................................................................................ 52
2.2.5 Нанесение слоя пироуглерода на поверхность углеродных волокон ............................ 53
2.3 Методы исследования .................................................................................................. 55
2.3.1 Рентгенофазовый анализ .................................................................................................... 55
2.3.2 Термогравиметрический анализ ........................................................................................ 56
2.3.3 Оптическая микроскопия ................................................................................................... 57
2.3.4 Растровая электронная микроскопия ................................................................................ 57
2.3.5 Исследование прочностных характеристик волокон....................................................... 58
2.3.6 Определение прочности при изгибе исходных и термообработанных образцов композиционного материала ....................................................................................................... 60
2.3.7 Дифференциально сканирующая калориметрия .............................................................. 60
2.3.8 Гидростатическое взвешивание ......................................................................................... 61
2.3.9 Определение плотности волокна ....................................................................................... 62
2.3.9.1 Ртутная порометрия .................................................................................................................. 62
2.3.9.2 Определение кажущейся плотности волокон методом градиентной колонки ................... 62
2.3.9.3 Определение истинной плотности методом гелиевой пикнометрии .................................... 62
2.3.10 Определение пористости и распределения пор по размерам в исходных и
термообработанных волокнах ..................................................................................................... 63
2.3.11 Определение прочности межфазного взаимодействия методом фрагментации
волокна в полимерной матрице .................................................................................................. 63
2.3.12 Определение прочности межфазного взаимодействия методом вытягивания монофиламента из капли ............................................................................................................. 66
3. Обсуждение результатов .................................................................................... 68
3.1 Физико-химические превращения в углеродном ПАН волокне при высоких температурах ........................................................................................................................ 68
3.1.1 Изменение площади сечения волокон с ростом температуры. Усадка волокон и
увеличение кажущейся плотности.............................................................................................. 69
3.1.2 Изменения внутренней структуры волокон. Рентгеновские измерения и степень графитации ПАН волокна ........................................................................................................... 75
3.1.3 Изменения поверхности волокон и внутреннего порового пространства ................ 79
3.1.4 Механические характеристики волокна ........................................................................... 87
3.1.5 Выводы ................................................................................................................................. 90
3.2 Физико-химические изменения в композитах, обусловленные превращениями в матричном материале – фенол-формальдегидной смоле ........................................ 91
3.2.1 Термогравиметрический анализ образцов ........................................................................ 92
3.2.2 Изменение пористости, кажущейся и истинной плотности ............................................ 97
3.2.3 Изучение изменений, происходящих со структурой, образцов и с межфазной границей
волокно-матрица, в материалах, армированных волокном разного типа, с увеличением
температуры обработки ............................................................................................................. 101
3.2.4 Выводы ............................................................................................................................... 108
3.3 Механические характеристики и характер разрушения углерод-углеродных композитов .......................................................................................................................... 109
3.3.1 Влияние термической обработки на прочность и характер разрушения композитов,
армированных исходным волокном ......................................................................................... 109
3.3.2 Влияние термической обработки на прочность и характер разрушения композитов,
армированных волокном, термообработанным при 2200 и 2400℃ ...................................... 115
3.3.3 Выводы .......................................................................................................................... 120
3.4 Нанесение пироуглеродного покрытия на поверхность углеродного волокна для достижения оптимального интерфейса волокно-матрица в заготовках углерод-углеродных композитов ................................................................................... 121
3.4.1 Анализ характеристик волокон, покрытых слоем пироуглерода ................................. 122
3.4.2 Оценка влияния пироуглеродного покрытия волокон на интерфейс волокно-матрица
...................................................................................................................................................... 124
3.4.3 Анализ механических характеристик образцов, армированных волокнами, покрытыми
слоем пироуглерода ................................................................................................................... 128
3.4.4 Морфология композитов, армированных волокнами с пироуглеродным покрытием 131
3.4.5 Выводы ............................................................................................................................... 135
4. Заключение .......................................................................................................... 136
Список сокращений ................................................................................................ 137
Список литературы ............................................................................................... 138
Приложение А ......................................................................................................... 147
Приложение Б ......................................................................................................... 148
