Вопросы технологии получения и переработки материалов с высокими прочностными и жесткостными характеристиками лежат в основе исследований композитов, в которых армирующим компонентом является волокно. Используя волокна с высокими механической прочностью и модулем упругости и с низкой плот­ностью (такие, как углеродные, борные или стеклянные) в соче­тании с существенно менее жесткими связующими (полиэфирные, эпоксидные или полиимидные), получают целый класс материа­лов, удельные свойства которых выше аналогичных для металли­ческих сплавов. Прочные, жесткие, а главное легкие материалы находят широчайшее применение. Технология изготовления ком­позиционных материалов позволяет создавать структуру их не­посредственно для данного конкретного применения (см. при­ложение Б, кн. 2).

Основным высокопрочным, высокомодульным армирующим компонентом при создании высокопрочных, высоконаполненных композитов с органическими связующими являются углеродные (графитовые) волокна (УВ). Уникальные свойства композицион­ных волокнистых материалов (КВМ) с углеродными волокнами определяются, в первую очередь, высокими механическими свой­ствами самих волокон. Эти характеристики обусловлены высокой анизотропией механических свойств кристаллов графита. Кри­сталлографическая структура идеального кристалла графита по­казана на рис. 11.1, а [1]. Расстояние между плоскостями кри­сталла графита составляет 3,35 А. В базовых плоскостях атомы углерода соединены очень прочными ковалентными связями. Теоретический предел прочности и теоретический модуль упру­гости кристалла графита при растяжении вдоль плоскости слоев составляют соответственно 100 [3, 4 ] и 1000 ГПа [2]. Межплоско­стное взаимодействие определяется относительно слабыми ван - дер-ваальсовыми силами, что приводит к низким значениям механических свойств кристалла в направлении, перпендикуляр­ном к слоям. Так, например, теоретический модуль упругости поперек слоев составляет только 35 ГПа.

В углеродных волокнах структура кристаллитов далеко не так совершенна, как показано на рис. 11.1, а. Вместо жесткофик»
сированных графитовых плоскостей наблюдается так называемая турбостратная структура (рис. 11.1, б). Межплоскостное расстоя­ние в таких элементарных кристаллографических участках со­ставляет 3,40 ... 3,45 А (по сравнению с 3,35 А в «совершенном» кристалле), и ориентация плоскостей относительно оси волокна существенно ниже. С увеличением степени ориентации графито­вых плоскостей, обладающих Высокими механическими свой-

Ствами благодаря сильным углеродоуглеродным ковалентным связям, при уплотнении этих плоскостей возрастают и продольные свойства волокна. С увеличением степени ориентации волокна растет модуль упругости.

В этой главе термин «графитовые волокна» будет применяться к волокнам, подвергнутым температурной обработке при 1700 °С, обладающим высокой степенью ориентации и имеющим высокий модуль упругости (~345 ГПа). Термин «углеродные волокна» применим к волокнам, модуль которых не превышает 345 ГПа, степень ориентации меньше, а температура термообработки ниже

1700 °С.