Углеродные волокна, нановолокна

Вс, 03/23/2014 - 15:17

Рис. 6. Рост газовых волокон, в том числе нановолокон: а — на подложке, б — в потоке газа

Рис. 7. Схема образования идеальной мономолекулярной углеродной трубки из графитового листа

Рис. 8. Электронная микрофотография спиралевидных нановолокон, образующих «углеродную резину»

Основные характеристики волокна — это прочность (или прочность на разрыв), жесткость волокна при растяжении (модуль продольной упругости) и максимальное удлинение, при котором нить не рвется (предельная деформация). Понятно, что на существующих материалах пока не удалось достичь нужного сочетания свойств, иначе поиски не продолжались бы.

Углеродные волокна даже одинакового происхождения и одинаковой толщины могут иметь совершенно разные механические свойства, и здесь все зависит от строения волокна. ПАНволокно (рис. 2, 3в) имеет довольно сложное строение — состоит из множества трубчатых элементов, соединенных в трехмерную структуру. За счет взаимного перекрывания трубчатых элементов нить получается прочной, но, поскольку внутри много пор, она имеет не очень высокую жесткость.

Другой важный вид волокон — пековые, делают из каменноугольных или нефтяных пеков — остатков вакуумной перегонки каменноугольной смолы или нефтяного гудрона. Технология в этом случае такая: сначала из густой пековой массы через фильеру вытягивают нити, потом обрабатывают их по схеме, напоминающей термообработку ПАНволокон. Типичный диаметр пекового волокна, как и у ПАНволокна, несколько микрон. Свойства этих волокон зависят не от режима обработки, а от свойств сырья: в зависимости от пека получают либо изотропные волокна, либо анизотропные (мезофазные) волокна. В последнем случае (рис. 2а, б, 3а, б) нить — это прямые графитовые ленты или чешуйки, расположенные вдоль оси волокна. На срезе видно, что эти чешуйки образуют различные укладки: звездчатые, слоистые и беспорядочные. Благодаря такому строению пековое волокно имеет большой модуль упругости (большую жесткость при растяжении), но зато оно не очень прочное, поскольку эта важная характеристика целиком зависит от длины чешуек.

Наконец, третий важный вид волокон — газовые волокна, которые первыми вошли в мировую практику, но потом быстро уступили место конкурентам. Газовые волокна получают разложением углеродсодержащих газов (метана, этилена, ацетилена, монооксида углерода и т. д.) на металлическом (чаще всего железном) катализаторе при температуре 500-15000С. О том, как это возможно, — чуть ниже. Выращенные таким образом нити, как правило, тоже отжигают в вакууме или атмосфере инертного газа при 2000-30000С. Свойства этих волокон зависят от параметров выращивания и отжига. Газовые волокна, в отличие от пековых и ПАНволокон, пока не удается сделать длинными — получается нить от нескольких микрон до нескольких десятков сантиметров. Естественно, из них невозможно сделать текстильное (непрерывное) волокно, а можно только прерывистое (штапельное), поэтому и область их применения ограничена. И это несмотря на их огромное преимущество: диаметр нити может быть сколь угодно малым, поскольку он определяется не толщиной исходного материала, как у других, а теоретически минимальным диаметром углеродной трубки, равным толщине одной молекулы (0,7 нм).

Газовые волокна (рис. 2 и 3г) состоят из множества вложенных друг в друга трубок и имеют, соответственно, пустую сердцевину. После отжига малоупорядоченные углеродные слои кристаллизуются в графитовые чешуйки размером несколько микрон и превращаются таким образом из трубчатых элементов в многогранные (рис 2 и 3д). Такое строение могло бы обеспечить нужное сочетание свойств: высокую жесткость с высокой прочностью, но только в том случае, если бы было хорошее сцепление между концентрическими трубками. А на самом деле это сцепление слабое, поэтому типичный разрыв газового волокна похож на меч, выходящий из ножен (рис. 4). В результате у газовых волокон очень большой разброс свойств и, соответственно, низкая надежность.
Нановолокна, о которых речь пойдет дальше и которые стали очередным «прорывом» и «качественным скачком» — это, собственно, газовые волокна диаметром меньше 0,1 мкм. При таких размерах свойства, особенно прочность, качественно меняются (рис. 5).

Переход к наноразмерам

Исследователи давно заметили, что уменьшение диаметра газового волокна приводит к постепенному улучшению механических свойств. Причем по мере приближения к пороговому значению 1 мкм, определяющему переход от волокна к нановолокну, эта тенденция все заметнее.

Другие материалы рубрики


  • ПЭТ — тара. Пластиковые бутылки. Этот предмет настолько прочно вошел в наш обиход, что без него невозможно представить нашу жизнь. Ведь массовое распространение пластиковая бутылка на постсоветском пространстве приобрела не так давно. Когда бутылка была еще сравнительным дефицитом — она встречалась только как тара для напитков или бытовой химии. Пластиковая бутылка была диковинкой.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4


  • Белое и пушистое всегда воспринимается как что-то хорошее. Если оно еще и полезное, интерес к нему возрастает. И еще интереснее, когда вещество состоит из особо мелких частиц, свойства которых непохожи на свойства таких же частиц, но больших. Этим и определяется незатухающий интерес к сравнительно новому виду порошков — нанодисперсным кремнийоксидам — нанокремнеземам.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4


  • В независимости от половой принадлежности, места жительства и социального статуса, причиной смерти подавляющего числа людей после окончания периода активного роста становятся, как правило, одни и те же болезни. По данным ВОЗ, это сердечно-сосудистые болезни (инсульты, инфаркты), онкологические и связанные с нарушением и ослаблением иммунитета. И хотя причины естественного ухода из жизни у всех людей одинаковы, величина жизненного пути у каждого из нас может существенно отличаться, очень сильно завися от внутренних факторов, порождаемых факторами внешними.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4
    • 5
    • 6


  • Алмаз (англ. diamond; нім. diamant) — минерал класса самородных неметаллов, ценился во все времена и у всех народов. Каждая из древних цивилизаций награждала его своим именем. Греки называли его «адамас» или «адамантос» (непобедимый); римляне — «диамонд»; арабы — «алмас» (наитвердейший); древние евреи — «шамир»; индусы — «фарий». Английское название diamond происходит от латинского слова adamantem и его распространенной формы adiamentem. В русском языке арабское название «алмаз» было окончательно утверждено Афанасием Никитиным («Хождение за три моря», 1466-1472 г.г.). В украинском языке закрепилось древнеримско-греческое имя камня — «адамант», упоминаемое еще в 1705 г. в лекции «Про камені та геми» Прокоповича Феофана.
    Впервые алмазы были обнаружены в россыпях в Индии еще до нашей эры (5000 лет назад) и разрабатывались на протяжении многих веков. Легендарные копи Голконды дали миру почти все известные с древнейших времен алмазы, такие как «Кохинур», «Шах», «Орлов» и другие. К XVIII веку индийские копи истощились, однако вскоре новые месторождения были обнаружены на всех континентах, давая пищу все новым легендам и фактам.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4
    • 5
    • 6


  • Химический элемент XVIII века коренным образом отличался от элемента древности и средних веков. Одним из первых, кто более глубоко подошел к проблеме элементов, был М.В. Ломоносов, который ввел понятие о «начале», отличающемся от простого тела. Это «начало» он пояснял так: «Через химию известно, что в киновари есть ртуть…, однако в киновари ртути ни сквозь самые лучшие микроскопы видеть нельзя; но всегда в них тот же вид кажется». И далее: «В киновари имеется «начало» ртуть, но нет простого тела, металла ртути как такового». Это «начало» теперь называется элементом. Химический элемент не есть простое тело. В 1741 г. ученый формулирует первый постулат — элемент есть часть тела, не состоящая из каких-либо других меньших тел и различных между собой. Однако найти разницу между элементом и атомом он так и не смог. Сложной задачей это оказалось и для последующих поколений химиков, в чем мы далее убедимся.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4
    • 5
    • 6


  • Плавленым сырком традиционно называют у нас плавленый сыр. Уменьшительно-ласкательный суффикс словно подчеркивает, что он младший брат обычного твердого сыра. Так ли это и чем он похож на сыр обычный, чем от него отличается и что такое плавленый сыр вообще? Как он изменился в последние годы и все ли плавленые сыры стоит называть сырами? Какие странные компоненты в них можно найти и как выбрать «правильный» плавленый сырок?
    Полка с плавлеными сырами в хорошем магазине выглядит так, будто на ней выставлены не продукты, а игрушки. Этикетки всегда яркие, цепляющие глаз. А формы?! Пожалуй, нет другого продукта, который бы выпускался в столь разных упаковках.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4


  • Один из главных претендентов на «мировое господство», который наверняка вскоре потеснит полиолефины в потреблении — поликарбонат (ПК). Этот «юноша» полимерной отрасли появился недавно (в конце 20 века). Но претендует ни много ни мало на роль… заменителя оконного, авто- и прочего стекла! Данная ниша в середине прошлого века вроде бы нашла своего героя — полиметилметакрилат.
    Но не все так просто. ПММА, ПА и другие полиакрилаты (посложнее и подороже) обнаружили «маленький, но ужасный» недостаток: они очень быстро царапались и мутнели в нормальных условиях. На волне ажиотажа по замене оконного стекла на ПММА было поставлено немало плексигласовых окон, автовставок и приборных крышек. Ну и где они сейчас? В лучшем случае доживают свое в зданиях «времен Брежнева и позднего СССР» — исцарапанные, изборожденные «трещинами серебра» ...

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4


  • ...Остановимся чуть детальнее на последнем определении понятия «химический элемент». Периодические попытки дать более полное (или правильное) определение понятия «элемент» вновь привели к тому, что толкование этого определения произведено через то, что растолковывается. Еще раз обратимся к формулировке: «Химический элемент – тип атомов, имеющих …. элемента». Это равносильно следующему: «человек – живое существо, обладающее свойствами человека». Безусловно, это неправильно. Кроме того, если есть тип атомов, что тогда может подразумеваться под видом атомов? А такое смешение понятий имеет место быть. Согласитесь, различие должно существовать, но путаница в точной науке недопустима...

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3


  • Впервые поливинилхлорид был получен в лабораторных условиях в 1835 году французским горным инженером-химиком Анри Виктором Реньо. Реньо, получивший раствор винилхлорида, случайно обнаружил, что со временем в нем образовался белый порошок. Ученый провел с порошком различные опыты, но не получил интересных результатов (ведь ПВХ очень инертен, за что его сейчас и ценят), и пионер полимерного синтеза утратил интерес к случайно открытому им веществу. Спустя почти полвека, в 1878 г., продукт полимеризации винилхлорида впервые был исследован более подробно, но лишь в 1913 году немецкий ученый Фриц Клатте получил первый патент на производство ПВХ. Клатте и считается основоположником промышленного производства ПВХ. Предполагалось использовать трудновоспламеняемый поливинилхлорид вместо вошедшего тогда в моду (одного из первых) тоннажного полимера — целлулоида. Из-за войны начавшееся было производство ПВХ было приостановлено.

    • Страницы
    • 1
    • 2