Углеродные волокна часто подвергаются дополнительной об­работке, включая поверхностную обработку и (или) нанесение замасливателей. Это делается для улучшения совместимости УВ со связующими и улучшения возможности переработки. Меха­нические свойства КВМ на основе углеродных волокон, включая предел текучести, межслоевой сдвиг и тип разрушения, во мно­гом зависят от природы связей волокно — связующее [106, 230].

Органические покрытия, наносимые при такой обработке с замасливанием, обычно имеют массовую долю 0,5 ...7%. Для обработки применяются поливиниловый спирт, эпоксидные смолы, полиимиды и вода. Эти покрытия наносят как на подверг­шуюся обработке, так и на исходную поверхность волокна. Это не только повышает перерабатываемосгь и абразивную стойкость УВ, но и улучшает его адгезию к полимерной матрице.

Обратно пропорциональная зависимость между сдвиговой проч­ностью однонаправленного КВМ из У В и модулем упругости ма­териала была получена Симоном (рис. 11.35 [231 ]) и подтверждена Гоном и Порсеном [232]. Этот эффект может быть объяснен в рам­ках допущения слабого взаимодействия высокомодульного во­локна со связующим [106, 191, 233—236]. Поверхностная обра­ботка позволяет повысить сдвиговые характеристики КВМ на основе УВ в 2—3 раза. К такой обработке относятся окисление, нанесение органического или неорганического покрытия, виско - ризация или облучение [234, 237].

В табл. 11.2 приведены виды обработок, ссылки на литературу и основные результаты обработок для композитов из УВ.

Мак-Ки и Маймилт [234], а за ними Ренд и Робинсон 1238] показали, что механизм изменения механических, физических и химических свойств волокон при окислении может быть понят
при подробном исследовании поверхности волокон комплексом различных методов. Эти работы проводились с помощью: электрон­ной сканирующей микроскопии (ЭСМ) [106, 230, 233, 234, 237, 2481, метода БЭТ (Брунауэр, Эммет, Теллер) [230, 232, 234, 237, 238, 244, 247, 249], лазерной раманской [237, 251 ], И К - [252], электронной [106, 254, 256] и масс-спектроскопии [238], оптиче­ской микроскопии [237, 257], ТГА [234], а также химического определения содержания поверхностных групп [234, 245, 247]. Используя все эти методы, исследователям удалось [234, 238, 247, 249] связать изменения морфологии и химического состава поверхности волокна с изменением взаимодействия волокон со связующим. Туинстра и Коэниг [251 ] установили связь между надмолеку­лярной структурой (метод раманс­кой спектроскопии) и сдвиговой проч­ностью композитов. Авторы работы [234] установили, что послеокисли - тельная обработка ПАН-волокна при­водит к росту числа поверхностных дефектов. Основное же влияние на сдвиговые характеристики компози­тов из УВ оказывают степень гра­фитизации (т. е. температура термо­обработки) и вид исходного волокна [232, 234]. Исследования, проведен­ные в последние годы, показывают, что не менее существенное влияние оказывают также условия получе­ния КВМ (время нахождения в рас­плаве, вязкость связующего и содер­жание пор) [257, 258].

Новак [230], Брюс [256] и Херрик [260] изучали взаимо­связь ударной вязкости и вида разрушения (при сдвиговых на­грузках) с прочностью при сдвиге для УВ-эпоксидных компози­ционных материалов. Для КВМ, в которых УВ не подвергались поверхностной обработке, при сдвиговых нагрузках разрушение происходит по механизму «вытаскивания» волокон. При исполь­зовании поверхностнообработанного волокна разрушение стано­вится хрупким, что подтверждается падением ударной вязкости. Последние работы показывают, что термопластичные покрытия повышают прочность УВ-эпоксидных композиционных материалов [239, 261].

Идеальная поверхностная обработка волокон должна приво­дить к увеличению сдвиговых характеристик волокон при очень малом влиянии на продольные физико-механические свойства. Кроме этого, она должна быть кратковременной, хорошо контро­лируемой и недорогостоящей. Как следует из табл. 11.2, наиболее распространенной является жидкостная окислительная термо-

ГсдіМПо. Рис. 11.35. Соотношение между пределом прочности при сдвиге тсд (метод «короткой балки») од­нонаправленного КВМ (УВ и эпоксидное связующее) и моду­лем упругости при растяжении Е УВ

10 п/р Дж. Любина 289

11.2. Влияние поверхностной обработки на свойства УВ и композитов из них

Л нтературный источник

Обработка

Влияние иа механические свойства

Мокрое» окисление

HNO.

KMno4-H2so4

Гипохлорнт, NaCIO

Хромовая кислота

[232—234, 238, 245, 250, 251]

[232, 233, 256, 257] [248, 256] [106, 2371

Эл ектрол итический NaOH

237, Возрастает предел прочности при 247, межслоевом сдвиге на 25 ...200 %. Снижается предел прочности при растяжении. Эффект связан со сте­пенью графитизации и свойствами исходного волокна

[106, 247, 251]

237,

Возрастает предел прочности при межслоевом сдвиге на 100 ...200 %. Уменьшаются пределы прочности и текучести при растяжении На 30... 100% возрастает предел прочности при межслоевом сдвиге Уменьшается предел прочности при растяжении. Волокно разрушается На 70... 120 % возрастает предел прочности прн межслоевом сдвиге, но снижается предел прочности при растяжении

Вакуумная

Десорбция

Воздух

Кислород или озон

Каталитическое оки­сление

HNOs + полимерное покрытие

Воздух (или другие газы, содержащие свободный кислород) и блоксополимеры

ШСухое» окисление

[234, 247] На 20 % повышается предел проч­

Ности при межслоевом сдвиге [230, 232, 233, На 10 ...200% возрастает предел 237, 244, 247, прочности при межслоевом сдвиге, 256, 257] но процесс трудно контролируется

[232,251] На 20 ... 40 % повышается предел

[234] [232, 2411 [246]

Прочности при межслоевом сдвиге, ио процесс трудно контролируется На 50 ... 100 % возрастает предел прочности при межслоевом сдвиге

Покрытие

Возрастает предел прочности при межслоевом сдвиге значительнее, чем при обработке только HNOs Возрастает предел прочности при межслоевом сдвиге на 50 ... 100 %

Нанесение покрытия из газовой фазы

[234, 242, 243]

Кремний (снлнконы) [232, 247]

[234]

Пнролитнческнй уг­лерод

Металлы

На 25 ... 60 % возрастает предел прочности при межслоевом сдвиге в зависимости от типа волокна Небольшое возрастание предела проч­ности прн межслоевом сдвиге. Воз­растает стойкость к окислению Возрастает стойкость к окислению

Литературный источник

Обработка

Влияние на механические свойства

[232]

Вискеризация

Радиационная обра - [262] ботка

На 200 ... 400 % возрастает предел прочности при межслоевом сдвиге для различных типов волокон

Наблюдается слабое возрастание пре­делов прочности при межслоевом сдвиге и изгибе

Обработка. Газовое («сухое») окисление связано с большими труд­ностями контроля. Одновременно с ростом производства угле­родных волокон растет и число исследований в области поверх­ностных термообработок. В табл. 11.3 приведен список патентов, защищающих различные методы поверхностных обработок УВ.