Włókniste materiały
węglowe i kompozyty

Włókna węglowe stanowią unikatowe połączenie

wysokiej

wytrzymałości i sztywności oraz niskiej masy co

sprawia,

że włókna węglowe wysokiej jakości są bardzo

poszukiwane

jako strukturalne komponenty materiałów dla

samolotów

i statków kosmicznych. Pożądane jest zwiększenie
rozciągliwości włókien (strain to failure) > 2%.
Najlepsze włókna węglowe PAN firmy Toray

Industries

osiągają wytrzymałość na rozerwanie 7 GPa przy

module

elastyczności Younga 490 GPa, przy teoretycznych
wartościach (w oparciu o siłę wiązania C-C)

odpowiednio

100 i 1000 GPa. Włókna węglowe mają zawsze moduł
Younga ok. 20 razy większy niż polimerowy prekursor.

Włókniste materiały węglowe: waty, włókniny, maty,
rowing, włókna cięte, tkaniny rowingowe, tkaniny o
zwykłym splocie, sznury, plecionki.

Unikatowe właściwości dzięki połączeniu właściwości
materiału węglowego i formy włóknistej.

Podstawowe formy – włókniny i włókna.

Włókniny i maty węglowe:

termoizolacyjne, żaroodporne
sorbenty (S

BET

do 1000 m

2

/g

filtracyjne
nośniki

Właściwość

Włókno

celulozo

we

Union

Carbide

Włókno

PAN

Toray

Pak

izotropo

wy

Kureha

Pak

mezofazo

wy

Amoco

Wydajność

karbonizacji, %
Średnica włókna,
μm
Gęstość,
g/cm

3

Wytrz. na rozciąganie,

GPa
Moduł Younga E,
GPa
Wydłużenie przy
zerwaniu%

20-25

6,6-6,9

1,43-

1,95

1,3-3,5

175-700

55-60

5-7

1,76-

1,91

2,5-7,0

235-490

0,6-1,9

80-85

12,5-

14,5

1,57-

1,65

0,6-0,8

30-33

2,1-2,4

80-85

10

2,10-2,18

1,9-2,2

380-830

0,5-0,7

E = σ/ε

E = moduł Younga
σ = wytrzymałość na rozciąganie
ε = odkształcenie przy zerwaniu

Właściwości handlowych włókien
węglowych

Orientacja
włókienek
we włóknie
węglowym

Mikrotekstura włókien
węglowych pochodzenia
pakowego (SEM)
a i b – włókno radialne
c – włókno koncentryczne

Lamelarny model
budowy
włókienka
węglowego

Mechanizm

termoutleniającej

(~220

o

C) stabilizacji PAN

PANox: C – 62.6% mas., H –
2,9% mas., N - 22,6% mas., O
– 11,9% mas.

Wzór strukturalny poliakrylonitrylu (PAN)

C - 67,9% mas., H - 5,7% mas., N - 26,4% mas.

Pak pochodzenia

petro- lub

karbochemicznego,

bez części

nierozpuszczalnych

Pak

Pak

mezofazowy

Włókno

pakowe

Utwardzone

włókno pakowe

Włókno węglowe

lub grafitowe

Obróbka
termiczna
400-430

0

C

Formowanie
włókien

Utlenianie
tlenem
~300

0

C

Obróbka
termiczna
1500-3000

0

C

Dwufazowa emulsja

(40-60% mezofazy)

lub jedno- fazowy pak

mezofazowy

Termoplastyczne
włókno; wysoki
stopień orientacji
molekuł wzdłuż osi
włóknaMolekuły

usieciowane tle-nem;

orientacja zasadniczo

zachowana i

utrwalona

Włókno

wysokomodułowe i

wytrzymałe, węglowe

lub grafitowe

Otrzymywanie mezofazowych włókien
węglowych

Zdjęcie SEM włókna po
przędzeniu

Krzywe TG/DTG włókna surowego i
stabilizowanego

Zdjęcia SEM włókna węglowego
stabilizowanego w 225

o

C (a), 250

o

C (b) i

300

o

C (c).

Urządzenie do przędzenia
wielo-włókienkowych włókien
węglowych

Schemat procesu
wytwarzania włókien
pakowych:
A – stabilizacja
B – wstępna karbonizacja
C –
karbonizacja/grafityzacja

Włókna formowane z fazy gazowej –VGCF

(vapour grown carbon fibers)

Włókna syntezowane w fazie gazowej w procesie pirolizy
węglowodorów lub tlenku węgla w obecności katalizatora
metalicznego (Fe, Ni Co) Pierwszy patent w 1889 r.
(Hughes i Chambers).
Wiele prac w latach 70. i 80. ubiegłego wieku (Oberlin,
Endo i Koyama oraz Tibbets – dobra wydajność włókien z
metanu i benzenu w 1200

o

C .

Układ współśrodkowych rurek węglowych.
Średnica włókna od 100 nm do kilkuset mikrometrów.

Mechanizm wzrostu włókna węglowego w
procesie rozkładu acetylenu katalizowanego
przez cząstkę metalu M.

Właściwość

Otrzymane

Grafityzow

ane

Średnica włókna, µm
Wytrzymałość na rozciąganie,

GPa
Moduł Younga, GPa
Wydłużenie przy zerwaniu, %
Gęstość, g/cm

3

Współcz. rozszerzalności
cieplnej, 1/K
Oporność elektryczna, µΏ cm
Przewodnictwo cieplne, W/mK

7 (1-100)

2,3 – 2,7

230 – 400

1,5
1,8

-1,0

1200

20

7 (1-100)

3,0 – 7,0

360 – 600

0,5
2,1

ppm

55

1950

Właściwości fizyczne włókien węglowych
VGCF

Kompozyty z włóknem węglowym

Włókna węglowe są znakomitym wzmocnieniem dla różnego
typu kompozytów ze względu na niska gęstość (1,47-2,2
g/cm

3

) i wysoką wytrzymałość (3-4,5 MPa) oraz wysoki moduł

Younga nadający wyrobom dużą sztywność.

Włókna w różnej formie: ciągłe lub cięte włókna, przędza,
tkanina, filc.
 kompozyty z osnową polimerową, CFRP (carbon fiber
reinforced plastics)
 kompozyty z osnową węglową, CFRC (carbon fiber
reinforced carbon)
 kompozyty z osnową metalową, CFRM (carbon fiber
reinforced metals)

Porównanie właściwości mechanicznych

laminatów epoksydowych wzmacnianych różnego

typu włóknami i metali

Materiał

Wytrzymałość

na rozciąganie,

MPa

Pomiar

Właściwa

Moduł Younga

GPa

Pomiar

Właściwy

Gęstoś

ć

g/cm

3

Włókno węglowe
UHM
Włókno węglowe
UHT
Włókno aramidowe
Włókno szklane
Włókno borowe

1380
1900
1380
1820
2760

820

1242
1000

875

1484

290
124

76
53

248

174

81
55
26

133

1,68
1,53
1,38
2,08
1,86

Stal
Stop magnezu
Stop aluminium
Stop tytanu

420

2800

260
980

54

1560

101
220

206

42
69

112

26,4

23
27
25

7,8
1,8

2,56
4,45

Kompozyty węglowo-polimerowe

Polimery termoplastyczne

Żywice termoutwardzalne (epoksydowe,
poliestry, estry winylowe, poliimidy)

Kompozyty węgiel-węgiel

Prekursor osnowy: pak lub żywica (fenolowa, poliimid), włókna
ciągłe

Etapy produkcji:

 Impregnacja włókien roztworem żywicy lub paku – nawijanie
impregnowanych włókien na odpowiednią matrycę - prepregi

 Odparowanie rozpuszczalnika

 Formowanie pod ciśnieniem na gorąco

 Karbonizacja pod obciążeniem z bardzo powolnym
ogrzewaniem (5-20

o

C/godz.)

 Densyfikacji karbonizowanego kompozytu:
- wielokrotne (4-12 razy) cykle impregnacja/karbonizacja
pakiem lub żywicą fenolową,
- osadzanie węgla pirolitycznego w porach (CVD), termiczny
rozkład metanu lub benzenu, do 2000 godz.

Zastosowanie kompozytów C-C: okładziny hamulcowe w
samolotach, elementy pojazdów kosmicznych.
Pokrywanie SiC lub Si

3

N

4

by ograniczyć utlenianie.

Cena: 450 – 3000 $/kg