Кіріспе

Диаметрі шамамен 5–10 мкм болатын материал талшықтары, көміртектен жасалған, бос немесе тоқылған көміртекті жіпшелер. Көміртек талшықтары немесе көміртек жіпшелер (әлтернативті CF, графит талшығы немесе графит жіпше) – диаметрі шамамен 5–10 мкм болатын және негізінен көміртек атомдарынан тұратын талшықтар. Көміртек талшықтарының бірнеше артықшылығы бар: жоғары қаттылық, жоғары созылу беріктігі, салмаққа шаққандағы жоғары беріктік, жоғары химиялық тұрақтылық, жоғары температураға төзімділік және төмен жылулық кеңею. Осы қасиеттері көміртек талшығын аэроғарыш, азаматтық құрылыс, әскери, автоспорт және басқа да жарыс спорты салаларында кеңінен қолдануға мүмкіндік берді. Дегенмен, олар шыны талшықтар, базальт талшықтары немесе пластик талшықтар сияқты ұқсас талшықтармен салыстырғанда салыстырмалы түрде қымбат. Көміртек талшығын өндіру үшін көміртек атомдары талшықтың бойлық осіне параллель бағытталған кристалдық құрылымдармен байланысады, себебі кристаллдық бағытталу талшыққа жоғары беріктік пен көлем арақатынасын береді (яғни, оның өлшеміне қарағанда беріктігі жоғары). Бірнеше мың көміртек талшықтары бірге жиналып, жіпше (tow) құрайды, оны жеке немесе матаға тоқуға болады. Көміртек талшықтары әдетте басқа материалдармен біріктіріліп, композиттік материал құрайды. Мысалы, пластик шайырмен сіңіріліп, қыздырылғанда, көміртек талшығымен күшейтілген полимер (көбінесе көміртек талшығы деп аталады) пайда болады, ол өте жоғары салмаққа шаққандағы беріктікке және жоғары қаттылыққа ие, бірақ сәл сынғыш. Көміртек талшықтары басқа материалдармен, мысалы графитпен де қосылып, өте жоғары температураға төзімді көміртекті-көміртекті композиттерді құрайды. Көміртек талшығымен күшейтілген материалдар ұшақтар мен ғарыш кемелерінің бөліктерін, жарыс машиналарынның корпустарын, гольф клубының саптарын, велосипедтердің рамаларын, балық аулау аспаптарын, автомобильдердің серіппелерін, желкенді қайықтардың мачталарын және жеңіл салмақты және жоғары беріктікті қажет ететін көптеген басқа да компоненттерді жасау үшін қолданылады.

Тарих

1860 жылы Джозеф Суон алғаш рет шамдарда пайдалану үшін көміртек талшықтарын өндірді. 1879 жылы Томас Эдисон мақта жіптерін немесе бамбук тілімдерін жоғары температурада пісіріп, оларды толығымен көміртек талшығынан тұратын филаментке айналдырды, ол электрмен қыздырылатын алғашқы шамдардың бірінде қолданылды. 1880 жылы Льюис Латимер электрмен қыздырылатын шам үшін сенімді көміртек сымды филамент жасады. 1958 жылы Роджер Бэкон Огайо штатының Кливленд қаласының шетінде орналасқан Union Carbide Parma техникалық орталығында жоғары өнімді көміртек талшықтарын жасады. Бұл талшықтар раэон жіптерін көмірленгенше қыздыру арқылы өндірілді. Бұл процесс тиімсіз болып шықты, себебі алынған талшықтардың құрамында шамамен 20% ғана көміртек болды. 1960 жылдардың басында Жапонияның Өнеркәсіп ғылымы және технология агенттігінде доктор Акио Шиндо полиакрилонитрилді (PAN) шикізат ретінде пайдаланатын процесті әзірледі. Бұл процесте алынған көміртек талшығының құрамында 55% көміртек болды. 1960 жылы H. I. Thompson Fiberglas Co. компаниясының Ричард Миллингтон раэонды прекурсор ретінде пайдаланатын, жоғары көміртек мөлшеріне (99%) ие талшық өндіру процесін әзірледі (АҚШ патенты № 3,294,489). Бұл көміртек талшықтары жеткілікті беріктікке (эластикалық модуль және созу беріктігіне) ие болды, оларды жоғары қатыстығы бар және температураға төзімді композиттерді күшейту үшін пайдалануға болады. Көміртек талшығының жоғары потенциалды беріктігі 1963 жылы Гэмпширдің Фарнборо қаласындағы Корольдік әуе күштері институтында В. Уатт, Л. Н. Филлипс және В. Джонсон әзірлеген процесте іске асырылды. Бұл процеске Ұлыбритания Қорғаныс министрлігі патент алды, содан кейін Британдық Ұлттық зерттеу және даму корпорациясы оны үш компанияға лицензиялады: Rolls Royce (ол өздері көміртек талшығын жасап жатқан), Morganite және Courtaulds. Бірнеше жылдан кейін, 1968 жылы Hyfil көміртек желдеткіш құралы Rolls Royce Conway Vickers VC10 реактивті қозғалтқыштарында сәтті қолданылғаннан кейін, Rolls Royce жаңа материалдың қасиеттерін пайдаланып, көміртекті компрессорлық қанаттары бар RB 211 әуе қозғалтқышымен американдық нарыққа енді. Алайда, қанаттар құстардың соқтығысынан зақымдануға осал болып шықты. Бұл және басқа да мәселелер Rolls Royce компаниясына ауыр соққы берді, нәтижесінде 1971 жылы компания мемлекеттік меншікке алынды. Көміртек талшығын өндіру зауыты Bristol Composite Materials Engineering Ltd (жиі Bristol Composites деп аталады) құру үшін сатылды. 1960 жылдардың соңында жапондықтар PAN негізіндегі көміртек талшықтарын өндіруде жетекшілікке шықты. 1970 жылғы бірлескен технологиялық келісім Union Carbide компаниясына Жапонияның Toray Industries өнімдерін өндіруге мүмкіндік берді. Morganite көміртек талшығын өндіру өз бизнесінің негізгі бағыты емес деп шешті, нәтижесінде Courtaulds Ұлыбританиядағы жалғыз ірі өндіруші болып қалды. Courtaulds суға негізделген органикалық емес процесі өнімді басқа көміртек талшығы өндірушілері қолданатын органикалық процеске әсер етпейтін қоспаларға сезімтал етті, бұл 1991 жылы көміртек талшығын өндіруді тоқтатуға әкелді. 1960 жылдары баламалы шикізатты табу бойынша жүргізілген тәжірибелік жұмыстар мұнай өңдеуден алынған мұнай шайырынан жасалған көміртек талшықтарын енгізуге әкелді. Бұл талшықтардың құрамында шамамен 85% көміртек болды және олардың иілу беріктігі өте жоғары болды. Сондай-ақ, осы кезеңде Жапон үкіметі отандық көміртек талшығын дамытуға үлкен қолдау көрсетті және Toray, Nippon Carbon, Toho Rayon және Mitsubishi сияқты бірнеше жапондық компаниялар өздерінің дамуын және өндірісін бастады. 1970 жылдардың соңынан бастап, жаңа түрдегі көміртек талшықты жіптер әлемдік нарыққа еніп, жоғары созу беріктігі мен жоғары серпімділік модулін ұсынды. Мысалы, Toray компаниясының T400 (созу беріктігі 4000 МПа) және M40 (серпімділік модулі 400 ГПа). Toho Rayon компаниясының IM 600 сияқты аралық көміртек талшықтары (созу беріктігі 6000 МПа-ға дейін) әзірленді. Toray, Celanese және Akzo компанияларынан алынған көміртек талшықтары әуе кеңістігінде екінші реттік бөлшектерден бастап бірінші реттік бөлшектерге дейін қолданыла бастады, алдымен әскери, кейіннен азаматтық ұшақтарда, мысалы, McDonnell Douglas, Boeing, Airbus және United Aircraft Corporation ұшақтарында. 1988 жылы доктор Джейкоб Лахиджани теңгерілген, өте жоғары Юнг модуліне (100 Мпсиден жоғары) және жоғары созу беріктігіне (500 Кпсиден жоғары) ие мұнай шайырынан жасалған көміртек талшығын ойлап тапты, ол автомобиль және әуе кеңістігі салаларында кеңінен қолданылады. 2006 жылдың наурыз айында патент Теннесси университетінің ғылыми-зерттеу қорына берілді.

Құрылымы мен қасиеттері

Көміртек талшығы көбінесе үздіксіз тоқал түрінде, катушкаға оралған күйде жеткізіледі. Тоқал – мыңдаған жеке көміртекті талшықтардан тұратын шоғыр, олар бірге ұсталып, полиэтилен оксиді (PEO) немесе поливинил спирті (PVA) сияқты органикалық қаптамамен қорғалады. Тоқалды пайдалану үшін катушкадан ыңғайлы түрде ашуға болады. Тоқалдағы әрбір көміртекті талшық 5–10 микрометр диаметріндегі үздіксіз цилиндр болып табылады және дерлік толығымен көміртектен тұрады. Ең алғашқы буын талшықтардың (мысалы, T300, HTA және AS4) диаметрі 16–22 микрометрге тең болды. Кейінірек жасалған талшықтардың (мысалы, IM6 немесе IM600) диаметрі шамамен 5 микрометрді құрайды.

Композиттік материалдар

Көміртек талшығы ең көп қолданылатыны – композиттік материалдарды, әсіресе көміртек талшығы немесе графитпен күшейтілген полимерлер класын нығайту. Көміртекті талшықтар үшін полимер емес материалдарды матрица ретінде де қолдануға болады. Металл карбидтерінің түзілуі және коррозия мәселелеріне байланысты, көміртек металл матрицалы композиттерде шектеулі қолданысқа ие болды. Көміртекті көміртек (RCC) көміртек талшығымен күшейтілген графиттен тұрады және жоғары температурада қолданылатын конструкциялық материал ретінде пайдаланылады. Талшық жоғары температуралы газдарды сүзгілеуге, үлкен беткейі мен коррозияға төзімділігі жоғары электрод ретінде, сондай-ақ антистатикалық компонент ретінде де қолданылады. Көміртек талшықтарының жұқа қабатын қалыптау полимерлердің немесе терморезистентті композиттердің өртке төзімділігін едәуір арттырады, себебі көміртек талшықтарының тығыз қабаты жылуды тиімді шағылыстырады. Көміртекті композиттерді қолданудың өсуі гальваникалық коррозия мәселелеріне байланысты алюминийді әуе-ғарыш саласында басқа металдарға ығыстыруда. Дегенмен, көміртек талшығы гальваникалық коррозия қаупін толығымен жоймайды. Металлмен жанасқанда ол "мүмікін ең жақсы гальваникалық коррозия жасушасын" құрайды және металл мен көміртек талшығы арасына герметик қолданылмаса, металл гальваникалық коррозияға ұшырайды. Көміртек талшығы асфальтқа қоспа ретінде қолданылуы мүмкін, бұл электр өткізгіш асфальт бетон жасауға мүмкіндік береді. Бұл композиттік материалды көлік инфрақұрылымында, әсіресе әуежай төсемелерінде пайдалану, қысқы күтімге қатысты кейбір мәселелерді азайтады, бұл ұшулардың тоқтауына немесе кешіктірілуіне себеп болуы мүмкін. Композиттік материалдың көміртек талшықтарынан құралған 3D желісі арқылы ток өткізу, асфальттың беткі температурасын арттыратын термиялық энергияны таратып, оның үстіндегі мұз бен қарды ерітуге мүмкіндік береді.

Тоқыма бұйымдары

Көміртек талшықтарының бастапқы материалдары – полиакрилонитрил (ПАН), rayon және пич. Көміртек талшықты жіптер бірнеше өңдеу технологияларында қолданылады: тікелей қолданылуы – препрег дайындау, жіп орау, пультрузия, тоқу, өру және т.б. Көміртек талшықты жіптердің сапасы сызықтық тығыздығымен (бірлік ұзындықтағы салмағы; яғни 1 г/1000 м = 1 текс) немесе жіптегі талшықтар санымен (мыңдаған) бағаланады. Мысалы, 3000 талшықты 200 текс көміртек жібі 1000 көміртек талшықты жіптен үш есе берік, бірақ сонымен қатар үш есе ауыр. Осы жіптен көміртек талшықты мата немесе кездеме тоқуға болады. Бұл матаның сыртқы түрі әдетте жіптің сызықтық тығыздығына және таңдалған тоқыма түріне байланысты. Көп қолданылатын тоқыма түрлері – диагональ, атлас және қарапайым тоқыма. Көміртек талшықты жіптерді тоқуға немесе өруге де болады.

Микроэлектродтар

Көміртек талшықтары көміртек талшықты микроэлектродтар жасау үшін қолданылады. Бұл қолданбада әдетте 5–7 мкм диаметрлі бір көміртек талшығы шыны капиллярға мөрленеді. Капиллярдың ұшы эпоксидпен мөрленіп, көміртек дискілі микроэлектрод жасау үшін жылтыратылады немесе талшық 75–150 мкм ұзындықта кесіліп, көміртек цилиндрлі электрод жасалады. Көміртек талшықты микроэлектродтар биохимиялық сигналдарды анықтау үшін амперометрияда немесе жылдам сканерлеу циклдік вольтметриясында қолданылады.

Икемді жылыту

Электр өткізгіштігімен танымал болғанына қарамастан, көміртек талшықтары өздігінен өте аз ток өткізе алады. Оларды үлкен маталарға тоқу арқылы икемді электрлік жылыту элементтерін қажет ететін қолдануларда (инфрақызыл) жылытуды сенімді түрде қамтамасыз етуге болады, сондай-ақ 100 °C-тан жоғары температураны оңай сақтай алады. Мұндай қолданудың көптеген мысалдарын өздігінен жасалған жылы киімдер мен жамылғыларда кездестіруге болады. Химиялық тұрақтылығының арқасында оны көптеген маталар мен материалдардың арасында салыстырмалы түрде қауіпсіз пайдалануға болады; бірақ, материалдың бүгіліп қысқа тұйықталуына себеп болған жағдайда, жылу өндірісі артады және өртке алып келуі мүмкін.

Синтез

Әр көміртекті жіп полиакрилонитрил (ПАН), рацион немесе мұнай шары сияқты полимерден жасалады. Бұл полимерлердің бәрі прекурсор деп аталады. ПАН немесе рацион сияқты синтетикалық полимерлер үшін, прекурсорды ең алдымен жіпше талшықтарға айналдырады, химиялық және механикалық процестерді қолдана отырып, полимер молекулаларын бастапқыда реттейді, осылайша аяқталған көміртек талшығының физикалық қасиеттерін жақсартады. Прекурсордың құрамы және жіпше талшықтарды иіру кезінде қолданылатын механикалық процестер өндірушілер арасында өзгеше болуы мүмкін. Тартылған немесе иілгеннен кейін полимерлік жіпше талшықтар көміртекті емес атомдарды (көмірлендіру) шығару үшін қыздырылады, нәтижесінде соңғы көміртек талшығы пайда болады. Көміртек талшығынан жасалған жіптерді қолдану сапасын жақсарту үшін одан әрі өңдеуге болады, содан кейін бобиналарға оралады. Өндірудің әдеттегі әдісі – бұралған ПАН жіптерін шамамен 300°C ауада қыздыру, бұл көптеген сутекті байланыстарды үзеді және материалды тотықтырады. Тотыққан ПАН аргон сияқты инерт газ атмосферасы бар пешке салынып, шамамен 2000°C-қа дейін қыздырылады, бұл материалдың графиттенуіне әкеледі, молекулалық байланыс құрылымын өзгертеді. Дұрыс жағдайда қыздырылғанда, бұл тізбектер қабырғасынан қабырғаға бірігіп (сатылы полимерлер), тар графен жақтарын құрайды, олар ақырында бірігіп, бір ғана бағаналы жіпке айналады. Нәтижесінде әдетте 93-95% көміртек болады. ПАН орнына пич немесе рационды прекурсор ретінде пайдаланып, төмен сапалы талшықтарды өндіруге болады. Жылумен өңдеу процестері арқылы көміртек жоғары модульді немесе жоғары беріктікті көміртек ретінде одан әрі жақсартуға болады. 1500-2000°C (көмірлендіру) аралығында қыздырылған көміртек ең жоғары созу беріктігін (5650 МПа немесе 820 000 psi) көрсетеді, ал 2500-3000°C (графиттеу) аралығында қыздырылған көміртек талшығы жоғары серпімділік модулін (531 ГПа немесе 77 000 000 psi) көрсетеді.