Корреляция свойств ПАН волокна и УВ...113, CH4, N2, O2, Ar, He, Kr....

1

Корреляция свойств ПАН-волокна и

УВ

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЯДЕРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИФИ»

В.Д.Борман

А.А.Белогорлов, А.М.Грехов, М.А.Грехов, А.А.Кванин, Ю.Ю.Лебединский,

В.Н.Тронин, И.В.Тронин,В.И.Троян

2

Содержание

• 1. Лаборатория углеродных, композиционных и «умных»

материалов.

• 2. Методики исследования. Структура, дефектность, состав

волокон

• 3. Методы анализа многостадийного процесса получения УВ из

ПАН-волокна на основе статистики редких событий

• 4.Некоторые результаты

3

1.Лаборатория углеродных,

композиционных и «умных»

материалов.

4

Исследование морфологии поверхности методом РЭМ проводилось с использованием растрового электронного

микроскопа DSM-960 (фирмаOpton, Германия) с инкорпорированным модулем сканирующей туннельной

• микроскопии UnderSEM (фирма МНТЦ, Россия) и растрового электронного микроскопа EVO 50 (фирма Carl

Zeiss, Германия), сверхвысоковакуумного комплекса анализа поверхности MULTIPROBE MXPS

• Производитель - Omicron NanoTechnology GmbH, Германия

Внешний вид растрового электронного

микроскопа EVO-80

Прибор позволяет проводить анализ

морфологии поверхности образцов и

обладает следующими техническими

характеристиками:

- пространственное разрешение до 2-3

нм,

- ускоряющее напряжение до 30 кВ,

- вакуум торр. 710

5

Внешний вид головки сканирующего

туннельного микроскопа UnderSEM377

(слева), головка СТМ UnderSEM377 в

вакуумной камере растрового электронного

микроскопа DSM-960 (справа).

Совмещение методик РЭМ и

СТМ в одном приборе позволяет

получать РЭМ изображения

поверхности и зонда СТМ, в

режиме реального времени

проводить позиционирование зонда

СТМ в нужную область

поверхности и получать СТМ-

изображения участков

поверхности.

6

• AUTOSORB-iQ-MP.Автоматическийанализатор удельнойповерхности, объема иразмеров пор. ФирмаQuantachrome Instruments (США)

Газы: CO, CO2, C2H6, C3H8, C4H10,C6H14, C7 H16, CFC-TF, CFC-12, CFC-113, CH4, N2, O2, Ar, He, Kr.

Поверхность до 0.0005 м2/г

Объем до 0.0001 см3/г

Размер пор 0,35-500 нм

Метод исследования адсорбционным методом поверхности образцов с

определением объема пор и их распределения по размерам.

7

Методы определения химического состава поверхности и приповерхностного слоя УВ с помощью

сверхвысоковакуумного комплекса анализа поверхности MULTIPROBE MXPS,Производитель -

Omicron NanoTechnology GmbH, Германия.

Сверхвысоковакуумноый комплекс анализа

поверхности MULTIPROBE MXPS

8

Методы определения химического состава поверхности и приповерхностного слоя

УВ с помощью РФЭС и ОЭС - методик.

Внешний вид сверхвысоковакуумного комплекса

для формирования и in situ анализа

наноразмерных структур на поверхности

твердотельных образцов XSAM-800 с модулем

ИЛО и квадрупольным масс-спектрометром

SIM300

Исследовательский

сверхвысоковакуумный комплекс для

формирования и in situ анализа

наноразмерных структур на

поверхности твердотельных образцов

XSAM-800 с модулем ИЛО и

квадрупольным масс-спектрометром

SIM300

( Kratos, Англия)

Основные технические

характеристики:

РФЭС: чувствительность ~1%,

локальность по поверхности ~2мм,

разрешение по глубине ~3 нм, Mg/Al

анод, разрешение по энергии 0.1 эВ

СРМИ: чувствительность ~0.1%,

локальность по поверхности ~2 мм,

разрешение по глубине ~0.3 А

ИЛО: YAG:Nd лазер, 1 мДж,

скорость осаждения 10^12-10^15

ат./см2 за импульс, длительность

импульса осаждения ~1 мкс, точность

~0.01ML, толщина пленки от 0.01 ML до

~100 нм

Вакуум: 10-9 торр

Модуль ионного травления Ar+

Модуль нагрева образцов до 900

С

9

Методы определения химического состава поверхности и

приповерхностного слоя УВ с помощью РФЭС и ОЭС - методик.

Внешний вид оже-электронного

спектрометра PHI-680.

Исследования методом

ОЭС проводилиось с

использованием сканирующего

оже-электронного спектрометра

PHI-680 (фирма Physical

Electronics, США) с

энергоанализатором типа

цилиндрическое зеркало Прибор

обладает следующими

техническими характеристиками:

- пространственное

разрешение до 10 нм,

- глубина анализа 0,5-5 нм,

- ускоряющее напряжение

0-30 кВ,

- разрешение по энергии

0.5%,

- чувствительность 1-3 ат.%

при идентификации всех

химических элементов, кроме

водорода и гелия.

10

• Стабисайзер

• Microtrac Inc. (США):

• Стабильность коллоидных систем, суспензий, эмульсий.

Концентрации частиц 0,05 - 30 % об.

pH 1 - 13 (точность 0,01 рН).

размеры частиц до 300 мкм.

потенциал течения -2000 до +2000 мВ (точность 1 мВ)

11

• Нанотрак

• Microtrac Inc. (США)• Определение размеров и

стабильности наночастиц в средах.

Оптические компоненты: лазерный источник (780 нм).

Размеры частиц до 65000 нм.

Концентрации: от 0,1 ppm до 40 % масс.

Время анализа 30 – 120 секунд.

12

• Instron 5944 2kN. Статические и динамические

исследования прочностных

свойств материалов.

Максимальное усилие 2 кН

(точность +/- 0,5 %)

Разрешение по перемещению 100

мкм.

Скорость растяжения/сжатия

образца от 0,05 до 2500 мм/мин

( 0,05 %)

13

• Реометр (Anton

Paar, Австрия),

Physica MCR: реология,

молекулярная масса полимеров;

текучесть полимеров при разных

скоростях сдвига, температурные тесты,

ползучесть/восстановление, релаксация

напряжений, рост напряжения/начало

течения; система для изучения

малоуглового светорассеяния (SALS) -

определение микроструктуры

(оптический метод) и макроструктуры

(реология); оптическая микроскопия;

электрореология и т.д.

14

• Porometer 3G zh.• Quantachrome Instruments

(США)

• Исследование пористыхматериалов безиспользования ртути.

Давление: до 500 psi (точность 0,001 бар).

Поток до 200 л/м.

Размер пор 18нм-500 мкм

15

• MICRO-ULTRAPYC Quantachrome Instruments

(США) 1200e с. Газовый

пикнометр для определение истинной плотности пористых материалов.

Газ - гелий

Разрешение по плотности 0.001 г/см3

Объем образца 0.1 – 4.2 см3

16

Дифференциальный сканирующий калориметр

высокого давления DSC 204 HP/1/G Phoenix, NEtzsch,

Австрия

Измерение термических характеристик материалов

Широкий интервал давлений: от вакуума до 15 MПa (150 атм.)

Тонкая регулировка давления (напр. 10 MПa 0.002 MПa)

Температурный диапазон (в зависимости от типа газа):

150 ... 600 C (при 1 атм.)

90 ... 600 C (при 50 атм.)

50... 450 C (при 150 атм.)

Скорость нагрева: 0.01... 100 K/мин

Измерения в различных газовых средах

инертные: N2, благородные газы

восстановление: H2

окисление: O2, CO2, воздух (при необходимости другие газы)

Точная регулировка газового потока до 500 мл/мин

17

Термомеханический анализатор с возможностью замены печей и

расширением температурного

диапазона

ТMA 402 F1 Hyperion

NEtzsch, Австрия•

•

• Технические характеристики TMA 402 F1 Hyperion® TMA

402 F3 Hyperion®

Макс. размеры образца 30 мм 30 мм

Диапазон измерений 2.5 мм 2.5 мм

Цифр. разрешение (длина) 0.125 нм 0.125 нм

Диапазон нагрузки 0,001 Н до 3 Н с шагом 0,2 мН 0,001 Н

до 3 Н с шагом 0,2 мН

Цифр. разрешение (нагрузка) < 0.01 мН < 0.01 мН

Частота модуляции до 1 Гц -

Конечное давление < 10-4 мбар < 10-4 мбар

Стандартная конфигурация системы для различных

температурных диапазонов

-150 C до 1000 C Стальная печь с охлаждением жидким

азотом LN2, система держателя образца из кварцевого стекла,

термопара типа К.

комн. до 1550 C Печь с нагревателем из карбида кремния SiC,

система держателя образца из Al2O3,

18

Дифрактометр рентгеновский Ultima IV (Rigaku, Япония)

Анализ тонких пленок и

волокон (высокоразрешающая

рентгеновская

дифрактометрия HRXRD) -

толщина, состав; текстура /

ориентация, качество

интерфейса, структурное

совершенство, плотность,

деформация / напряжение.

Порошковая

дифрактометрия - фазовый

анализ, оценка степени

кристалличности, размер

кристаллитов / анализ

остаточных напряжений,

прецизионные измерения

параметров решетки.

19

2.Методики исследования.

Структура, дефектность, состав

волокон

20

срез

обрыв

На фрагменте 15 15 мкм, виден

срез и обрыв волокна

15 15 мкм 3,5 3,5 мкм 6 6 мкм

На фрагменте 3,5 3,5 мкм, видна

тонкая структура среза образца, с

фибриллами 150-200 нм

На фрагменте 6 6 мкм, видна

тонкая структура обрыва образца

Поперечный срез ПАН волокна

РЭМ изображения поперечного среза ПАН

АСМ изображения поперечного среза ПАН

21

РЭМ изображения поперечного сечения ПАН-волокна с

фибриллами, полученные путем разрезания

микропластика

Поперечный срез ПАН волокна

22

Поверхности ПАН волокна . Дефекты

РЭМ микрофотографии ПАН

РЭМ изображение 52 51 мкм. Стрелками показаны

дефекты поверхности волокнаРЭМ изображение 52 51 мкм.

23

Дефекты структуры ПАН-волокон, обнаруженные с

использованием электронной микроскопии высокого

разрешения(РЭМ, СТМ(АСМ))

Виды наблюдаемых дефектов на образцах ПАН волокон (РЭМ):Н- нарост,Т-точка,Ш-шероховатая поверхность,Ф-нитевидный дефект

ТТ

ФФ ФФ

НН

НН

ТТ

ШШ

ТТ

ФФ ФФ

НН

НН

ТТ

ШШ

500 нм

500 нм

500 нм

500 нм

500 нм

8018

Типичные дефекты на

поверхности исследованного ПАН

волокна

24

СТМ изображение поверхности УВ

СТМ изображения поверхности исходного УВ (а), УВ после ЭХО 2 А (б) и 5А (в), размер изображений

370 370 нм.

а б в

Трехмерное СТМ изображение поверхности исходного УВ с продольной бороздой.

25

Оболочка на поверхности УВ

РЭМ изображения поверхности УВ после обработки лазером.

Методом растровой электронной микроскопии (РЭМ) было обнаружено наличие оболочки на поверхности

углеродных волокон, разрушающейся при локальном нагреве поверхности углеродного волокна излучением

лазера. Толщина данной облочки может составлять до нескольких десятков нанометров. Оболочка

обнаруживает себя на всех углеродных волокнах.

26

Дефекты структуры УВ, обнаруженные с помощью

электронной микроскопии высокого разрешения(РЭМ,

СТМ(АСМ))

Виды наблюдаемых дефектов на образцах УВ (РЭМ):Н-нарост,Т-точка,Ш-шероховатая поверхность,НД-нитевидный дефект,С-скол

Типичные дефекты на

поверхности УВ (АСМ)

Т

Н НН

Н

Т

Н

Ш Ш

ШНД

Т

НС

Ш

НД

500 нм

500 нм

500 нм

500 нм

500 нм

8030

27

Химический состав ПАН-волокнаРезультаты количественного анализа РФЭ спектров поверхностного слоя

ПАН:

№ обр. C O N Si Всего

№1

Исходный 87 % 7 % 1 % 5 % 100 %

После

травл.95 % 2 % 2 % 1 % 100 %

№2

Исходный 88 % 6 % 3 % 3 % 100 %

После

травл.95 % 3 % 1 % 1 % 100 %

Образец №1 Образец №2

Элементвесовой/атомный

(%)

весовой/атомный

(%)

C 65±5 / 69 5 69±5 / 72 5

N 35±5 / 31 5 31±5 / 28 5

Результаты энергодисперсионного микроанализа атомного состава (С/N) в

объеме ПАН :

Концентрация азота и углерода в приповерхностном слое ПАН волокна

значительно отличается от их концентрации в объеме ПАН волокна.

Следовательно существует модифицированный слой ПАН волокна

28

Элементный состав исходной

поверхности образцов ПАН-

волокон и ПАН-пленки

29

Определение корреляций между свойствами УВ (их адгезии к связующему материалу композита) и прочностными характеристиками УКМ. Исследования структуры поверхности разрыва образцов методом РЭМ.

~2

r

L

Типичные изображения поверхности разрыва

образцов Поверхность представляет собой

плоскость скола композита с торчащими из

нее обрывками армирующих волокон. В

образце, где волокна не были подвергнуты

ЭХО, в среднем длина обрывков волокон

больше Для образца, подвергнутого ЭХО,

напротив, существует довольно большое

число волокон, длина которых не превышает

погрешности измерений.

В отсутствие обработки (0 А)

количество коротких волокон (L-

длина) минимально. При увеличении

тока ЭХО вначале их число

увеличивается, затем снова падает и

сменяется увеличением. Это

коррелирует с поведением прочности(

на межслоевой сдвиг Величина

связана с прочностью волокна

его радиусом r и длиной L

соотношением

30

3.Метод анализа многостадийного

процесса получения УВ из ПАН-волокна

на основе статистики редких событий

Цель –разработка математического аппарата

для выявления взаимного влияния стадий

переработки ПАН волокна в УВ и выявление

критических этапов для получения УВ с

высокой прочностью и малыми вариациями с

целью коррекций процессов на стадиях

31

1( ) ( )exp( )

2f k ik dk

1

1

2

1( ) exp( ( ))

2(2 )

k i k c k i k k tg

Параметр называется показателем Леви и отвечает за общий вид функции распределения,

отвечает за положение максимума распределения, c определяет ширину распределения, а

степень ассиметрии. Для этих распределений c среднеквадратичное отклонение растет

с увеличением количества измерений, в отличии от распределения Гаусса, для которого

среднеквадратичное отклонение падает

N-число измерений

Функции распределения ЛЕВИ

Функции распределенияФункция распределения определяет вероятность того, что случайная величина,

например, прочность, лежит в интервале от

( )f

+до

2

,0 ,0 2, 1, 1 1c

2

2 1~

N

32

Функции распределения Гаусса и Леви

1.6

1.7

Нормированные функции распределения Гаусса и Леви при различных значениях показателя Леви

2

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ГАУССА

33

Определение корреляцимй параметров волокна на различных стадиях.

Парные функции распределения

Парная функция распределения определяют вероятность того, что случайная

величина, например прочность на стадии 1 лежит в интервале от при

условии , что на другой стадии прочность лежит в интервале и

представляет собой двумерное распределение Леви

+до

Предложенный подход является новым. В настоящее время близкие подходы используются при

анализе финансовых рынков. Примеры применения такого подхода для анализа технологических

процессов нам неизвестны.

1 1 1 +до

34

Парные функции распределения

Вид парной функции распределения для полностью

скоррелированных наборов данных, описываемых

распределением Гаусса

35

Парные функции распределения

Вид парной функции распределения для нескоррелированного

набора данных, описываемых распределением Леви с 2

36

Корреляционные функцииРазность между парной функцией распределения и

произведением называется корреляционной функцией

2 1 2( , )f

1 1 1 2( ) ( )f f

2 1 2 2 1 2 1 1 1 2, ,g f f f

Вид корреляционной функции распределения для полностью скоррелированных

наборов данных, описываемых распределением Гаусса. Для нескоррелированных

наборов данных корреляционная функция равна нулю

АНАЛИЗ КОРРЕЛЯЦИЙ МОЖНО ПРОВОДИТЬ КАК С

ИСПОЛЬЗОВАНИМ ПАРНЫХ ФУНКЦИЙ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ, ТАК И С

ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КОРРЕЛЯЦИОННЫХ ФУНКЦИЙ

37

4.Некоторые результаты

38

Объекты исследования

В ходе работы были обработаны с помощью этих методик данные, для

образцов двух различных серий

Прочность зависит от структуры волокна и определяется

редкими опасными дефектами. На дефектах происходит

образование трещин. Каждое образование трещины на опасном

дефекте, есть случайное событие. Прочность определяется

совокупностью таких случайных событий.

39

Фибриллярная структура ПАН волокна Фурье-

анализ

ПАН волокно

Модельная

система

40

Дефекты структуры волокон с использованием электронной

микроскопии высокого разрешения(РЭМ, СТМ(АСМ))

0,01

0,1

1

10

100

1000

Ко

нц

ен

тр

ац

ия

неод

нод

но

стей

, м

м-1

Концентрация неоднородностей по стадиям (1-я серия)

НАРОСТ

ТОЧКА

ШЕР. ПОВЕРХ.

НИТЕВИД. ДЕФ.

СКОЛ

0,01

0,1

1

10

100

1000

Ко

нц

ен

тр

ац

ия

неод

но

род

но

стей

, м

м-1

Концентрация неоднородностей по стадиям (2-я серия)

НАРОСТ

ТОЧКА

ШЕР. ПОВЕРХ.

НИТЕВИД. ДЕФ.

СКОЛ

линейные концентрации различных

поверхностных неоднородностей на всех

стадиях передела ПАН волокна в УВ для 2-й

серии

линейные концентрации различных

поверхностных неоднородностей на всех

стадиях передела ПАН волокна в УВ для 1-

й серии образцов

41

Прочность на различных стадиях

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000П

ро

чн

ост

ь в

ол

оо

кн

, МП

а

мин 1-я серия

мин 2-я серия

сред 1-я серия

сред 2-я серия

макс 1-я серия

макс 2-я серия

42

Корреляционный анализ взаимного влияния стадий

переработки волокна .Парные функции распределения

Влияние готового

ПАН на УВ после ЭХО

серия 1

Влияние готового

ПАН на УВ после ЭХО

серия 2

Наблюдается корреляция стадии готового ПАН на УВ после

ЭХО серии 1 и слабая антикорреляция для серии 2

43

Корреляционный анализ взаимного влияния стадий

переработки волокна .Парные функции распределения

Влияние

предкарбонизированного

ПАН на УВ после ЭХО

серия 1

Влияние

предкарбонизированного

ПАН на УВ после ЭХО

серия 2Наблюдается слабая корреляция стадии

предкарбоницированного ПАН на УВ после ЭХО серии 1 и

корреляция для серии 2

44

• Для серии 1 максимальное влияние на

прочность углеродного волокна после

ЭХО оказывает готовое ПАН волокна.

• Для серии 2 максимальное влияние на

прочность углеродного волокна после

ЭХО оказывает стадия

предкарбонизации

45

Корреляционные функции, показывающие влияние различных

видов неоднородностей на прочность углеродного волокна.

190n (нарост), мм-1

σУВ, М

Па

0.1

0

-0.1

-0.2200 210 220 230

1000

2000

3000

4000

2000n (точка), мм-1

σУВ, М

Па

0.04

0

-0.08

-0.12

-0.04

-0.161000

2000

3000

4000

210019001800

95n (нит.деф.), мм-1

100 105 110 115

σУВ, М

Па

1000

2000

3000

4000

σУВ, М

Па

1000

2000

3000

4000

70 74 7866n (шер. поверх.), мм-1

0

0.04

-0.04

-0.08

0

0.04

-0.04

-0.08

-0.12

-0.16

Наиболее сильное влияние на

прочность углеродного

волокна оказывают

поверхностные

неоднородности типа

«нарост». С ростом числа этих

неоднородностей вероятность

появления УВ с высокой

прочностью падает, а

вероятность появления УВ с

низкой прочностью растет.

Число остальных типов

неоднородностей

(«нитевидный дефект»,

«шероховатая поверхность»,

«точка») слабоскоррелировано

с прочностью готового

углеродного волокна. Таким

образом, поверхностные

неоднородности типа «нарост»

(то есть частицы размером

более 1 мкм) следует относить

к наиболее опасным в

прочностном отношении

дефектам.

46

Зависимости от стадии термообработки ПАН волокон

относительной минимальной прочности волокон на базе 5 мм,

поверхностной концентрации натрия и линейной концентрации

неоднородностей типа «скол»

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

8026 8027 8028 8029 8030 8031

Стадия термообработки

σmin / <σ>, отн. ед.

[Na] / [C], отн. ед.

"Скол", 1/мм

Повышение

концентрации натрия

в приповерхностном

слое ПАН волокна

приводит в процессе

термообработки к

повышению

дефектности данного

слоя, а это, в свою

очередь, приводит к

появлению в жгуте

волокон с прочностью

ниже средней.

47

Оболочка

А)

Б)

Изображения поверхности углеродных волокон

после обработки лазером, полученным при

помощи растрового электронного микроскопа.

В результате лазерного воздействия

происходит разрушение

поверхностного слоя. По мере

увеличения мощности лазерного

излучения сначала происходит

растрескивание оболочки (Рис. а),

затем ее полное удаление (Рис. б).

После удаления оболочки

поверхность волокон становится

гладкой, без выраженного

фибриллярного рисунка. Таким

образом, можно полагать, что на

поверхности волокна находится

оболочка с отличным от объема

коэффициентом температурного

расширения.

48

Сегрегация натрия на

поверхности УВ

0.00

0.10

0.20

0 1 2 3 4

O/C

Концентрация кислорода

А)

0.00

0.05

0.10

0 1 2 3 4

Na/C

Ток ЭХО, А

Концентрация натрия

Б)

Исходная поверхность

Поверхность после лазера

Концентрации кислорода (а) и натрия (б) на поверхности

углеродных волокон в зависимости от тока ЭХО.

Наибольшая концентрация натрия

наблюдается на поверхности необработанных

волокон, ЭХО приводит к уменьшению

количества натрия на поверхности примерно в

два раза после воздействия тока 1А.

Дальнейшее увеличение тока обработки

приводит к увеличению количества натрия на

поверхности. Концентрация натрия после

удаления поверхностного слоя при помощи

лазерного нагрева уменьшается с

увеличением тока ЭХО (Рис.б). Наблюдается

корреляция величин O/C и Na/C при

ненулевом токе электрохимической обработки

волокон (Рис), рост концентрации натрия

сопровождается ростом концентрации

кислорода. Из этого следует, что кислород на

поверхности волокон после ЭХО находится в

химической связи с натрием.

49

Сегрегация натрия на

поверхности УВ

Зависимости от времени концентрации натрия на поверхности

углеродных волокон при различной температуре

[Na] = 0,0193t + 0,0075

0%

3%

6%

9%

12%

0 20 40 60 80

[Na

], а

т.%

Время, мин

Т=100ºС

[Na] = 5,93E-04t + 1,47E-02

1,5%

2,0%

2,5%

3,0%

0 10 20 30 40

[Na],

ат.

%

Время, мин

T=72ºC

[Na] = 5,61E-08t + 7,01E-03

0%

1%

2%

3%

4%

5%

0,0E+00 2,0E+05 4,0E+05 6,0E+05

[Na

], а

т.%

Время, мин

T=22ºC

50

Сегрегация натрия на

поверхности УВ

Зависимость от времени отношения концентрации натрия к

концентрации кислорода на поверхности углеродного волокна

при температуре 100ºС.

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0 20 40 60 80

[Na

]/[O

], о

тн

. ед

.

Время, мин

Как видно из Рис.выходе

концентрации натрия на

насыщение, устанавливается

стехиометрическое

соотношение 1:1 между

концентрацией натрия и

концентрацией кислорода,

что соответствует

соединению NaOH.

51

Роль сегрегации натрия

Средняя «степень

заполнения» для образцов

композита на основе

углеродных волокон с

различными токами ЭХО.

Зависимость максимальных касательных

напряжений возникающих в композите

при разрушении от «степени заполнения»

θ.

Поверхностная концентрация натрия максимальна для необработанных волокон, затем, с включением

ЭХО концентрация натрия падает и, по мере увеличения тока ЭХО, возрастает, при токе обработки 4 А

концентрация натрия на поверхности УВ достигает практически такого же значения, как на исходных

волокнах без обработки.

Кислород, находящийся на поверхности не имеет химической связи с углеродом, а содержится в виде

адсорбированной воды и в соединении с натрием. Увеличение тока ЭХО приводит к повышению

концентрации кислорода на поверхности, но одновременно из объема волокна на поверхность выходит

большее количество натрия, который вступает в химическую связь с кислородом и загрязняет

поверхность.

52

• Среди обнаруженных методом РЭМ поверхностных неоднородностей выявлены с использованием методики корреляционного анализа на основе статистики редких событий опасные в прочностном отношении дефекты.

• В результате анализа данных о структуре и составе приповерхностных слоев и концентрации поверхностных неоднородностей определены ключевые стадии формирования дефектности, ограничивающей максимальные механические характеристики углеродных волокон.

• Из результатов проведенных исследований следует, что для более прочных углеродных волокон характерна фибриллярная структура с меньшим размером фибрилл.

53

• Обнаружена корреляция между относительным изменением диаметра ПАН волокон в процессе термообработки и прочностью углеродного волокна. Установлено, что более прочные углеродные волокна получаются из ПАН волокон, претерпевающих большее относительное изменение диаметра в процессе термообработки.

• Обнаружено и исследовано явление сегрегации натрия на поверхности углеродных волокон при электрохимической обработке. Установлено, что натрий на поверхности углеродного волокна после электрохимической обработки находится в виде соединения NaOH.

• Показано, что сегрегация натрия препятствует образованию поверхностных кислородсодержащих функциональных групп, улучшающих адгезию волокна к связующему.

• Исследовано влияние сегрегации натрия на прочность углепластика. Установлено, что наличие максимума прочности композита в зависимости от тока ЭХО обусловлено с одной стороны удалением слабосвязанного аморфного поверхностного слоя волокна, с другой стороны – уменьшением адгезии между волокном и связующим в результате загрязнения поверхности УВ гидроксидом натрия.

54

Приборный парк лаборатории

композиционных, умных и углеродных

материалов и разработанные методики

позволяют проводить научное

сопровождение работ по отработке

технологии создания композиционных

материалов с заранее заданными

свойствами

55

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!