УУКМ в современной промышленности
Углерод-углеродные композиционные материалы (УУКМ) – изделия, состоящие из углеродной матрицы, армированной углеродными волокнами, которые характеризуются высокой термостойкостью, прочностью и малой массой.
Особенности:
Введение:
Для различных областей современной промышленности требуются материалы, сочетающие в себе ряд важных характеристик, позволяющих создавать изделия, которые могут эксплуатироваться в экстремальных условиях.
Современные технологии способствуют созданию углерод-углеродных композиционных материалов с заданными характеристиками, благодаря чему можно производить изделия под определенные задачи, включая фасонные изделия из графита.
Углерод-углеродные композиционные материалы обладают уникальным сочетанием физико-механических свойств. Их прочность может повышаться при нагревании. В сравнении с монолитным поликристаллическим графитом УУКМ демонстрируют повышенную прочность и стойкость к тепловым ударам.
УУКМ за счет своей структуры и состава, кроме прочего, обладают высокой термостойкостью, поэтому могут служить при температурах свыше 2000 °C, низкой плотностью, что делает их достаточно легкими, и электропроводностью.
Стоит учитывать, что при нагревании УУКМ выше 3000 °C начинается сублимация графита, а также они обладают склонностью к окислению при температурах выше 500 °C в окислительной среде, что ограничивает их использование без специальной защиты.
Польза:
УУКМ полезны для современной промышленности прежде всего тем, что могут способствовать высокой энергоэффективности определенных процессов, малой массе производимых изделий, их долговечности и устойчивости к усталости.
Современная промышленность пытается использовать такие материалы в качестве основы для создания сверхлегких и сверхпрочных материалов, способных работать в экстремальных условиях.
Устройство и применение:
Устройство:
Среди основополагающих составляющих углерод-углеродных композиционных материалов можно выделить углеродное волокно и углеродную матрицу:
- Углеродное волокно: армирующий элемент, обеспечивающий прочность и жёсткость материала, который может различаться по форме и типу;
- Углеродная матрица: связующий элемент, соединяющий углеродные волокна и обеспечивающий целостность конструкции, который может быть изготовлен из подходящих углеродных материалов.
Структура УУКМ может различаться относительно расположения углеродных волокон, к примеру, они могут быть ориентированы в одном направлении (2D-армирование) или располагаться в нескольких направлениях (3D-армирование).
Формирование углеродной матрицы является одним из ключевых этапов производства УУКМ. Выбор метода зависит от требуемых характеристик материала:
- Пироуглерод, получаемый методом химического осаждения из газовой фазы, обеспечивает высокую прочность и плотность матрицы;
- Стеклоуглерод, создаваемый путем пиролиза полимеров, обладает исключительной термической стабильностью и минимальным коэффициентом теплового расширения;
- Пропитка пеками с последующей карбонизацией позволяет регулировать пористость и электропроводность материала.
Применение:
УУКМ играют ключевую роль в продвижении передовых технологий. Их применение открывает новые горизонты для промышленности, а постоянное совершенствование производственных процессов делает их более доступными.
УУКМ широко применяются для производства разнообразных изделий, включая те, которые ориентированы на эксплуатацию в сложных условиях, например, теплозащитные экраны, сопла двигателей и тормозные системы.
Перспективы:
Использование фуллеренов и углеродных нанотрубок может способствовать созданию нанокомпозитов с рекордной прочностью и электропроводностью.
Исследования в области модификации матрицы открывают пусть к повышению устойчивости материалов к окислению.