Süsinikkiu füüsikalised muutused kõrgel temperatuuril
Sissejuhatus
Suure jõudlusega materjalina on süsinikkiudu selle suurepäraste füüsikaliste ja keemiliste omaduste tõttu laialdaselt kasutatud paljudes valdkondades, nagu lennundus, autotootmine ja sporditarbed. Kuid süsinikkiudude füüsikalised muutused kõrgel temperatuuril mõjutavad oluliselt nende omadusi. Selles artiklis uuritakse süsinikkiu füüsilisi muutusi kõrgel temperatuuril, sealhulgas selle struktuurimuutusi, jõudluse muutusi ja võimalikke mõjusid rakendusele.
struktuurimuutused
Struktuurimuutused kõrgetel temperatuuridel
Süsinikkiu struktuurimuutused kõrgel temperatuuril peegelduvad peamiselt muutustes selle sisemistes keemilistes sidemetes ja kristallstruktuuris. Eeloksüdatsiooniprotsessi käigus tõmbuvad kõrge orientatsiooniga polüakrüülnitriil (PAN) protofilamendid kõrgel temperatuuril füüsiliselt kokku ja suurendavad nende konformatsiooni, muutes need termodünaamiliselt stabiilseks. See protsess põhjustab kiudude lineaarsete molekulaarsete ahelate muutumist kuumakindla redelistruktuuriga eeloksüdeeritud filamentideks. Seejärel inertgaasi kaitstud kõrge temperatuuriga karboniseerimiskeskkonnas ei sula ega põle eeloksüdeeritud traat, säilitab kiu kuju ja muundatakse seejärel turbostraatilise grafiitstruktuuriga süsinikkiuks.
Süsinikkiu termiline lagunemine
Uuringud näitavad, et süsinikkiu termilise lagunemise temperatuur on üldiselt kõrgem kui 1000 kraadi ja tavaliselt hakkab see sulama üle 1500 kraadi. Kõrgetel temperatuuridel (umbes 500 kraadi) nõrgenevad süsinikkiu materjaliomadused ning selle tugevus ja jäikus võivad defektide, nagu mikropraod ja augud, tõttu langeda rohkem kui 50%. Kui temperatuur ületab süsinikkiu termilise stabiilsuse piiri, võivad termilise lagunemise reaktsioonid põhjustada süsinikkiu sulamise.
Muutused jõudluses
Mehaaniliste omaduste vähenemine
Temperatuuri tõustes vähenevad oluliselt süsinikkiu mehaanilised omadused. Kõrgetel temperatuuridel (umbes 500 kraadi) võib süsinikkiu tugevus ja jäikus defektide, nagu mikropraod ja augud, tõttu langeda rohkem kui 50%. Seda seetõttu, et kõrge temperatuur võib põhjustada süsinikkiu defektide laienemist, vähendades seeläbi selle kandevõimet.
Elektrijuhtivuse muutused
Süsinikkiud on elektriisolaator, kuid sellel on kõrgetel temperatuuridel ilmsed elektrokeemilised reaktsioonid ning see oksüdeerub, redutseerub ja korrodeerub kergesti. Seetõttu peab süsinikkiud praktilistes rakendustes olema ettevaatlik, et vältida kokkupuudet selliste kahjulike ainetega nagu kõrge temperatuuriga gaasid ja vedelad metallid, et vältida korrosiooni ja kahjustusi.
Rakenduse mõju
Kasutuspiirangud kõrge temperatuuriga keskkondades
Kuigi süsinikkiul on kerge kaal, kõrge tugevus ja jäikus, kehtivad selle kasutamisel kõrge temperatuuriga keskkondades teatud piirangud. Näiteks lennunduses, kuigi süsinikkiudu kasutatakse laialdaselt mootorites, aerodünaamilistes seadmetes, pidurites ja muudes komponentides, tuleb süsteemi jõudluse ja töökindluse tagamiseks arvestada kõrge temperatuuri mõju süsinikkiu toimimisele.
Kaitsemeetmed kõrge temperatuuriga keskkonnas
Et ületada kõrgete temperatuuride mõju süsinikkiu omadustele, uurivad teadlased erinevaid kaitsemeetmeid. Näiteks süsinikkiu tootmisprotsessi ja kvaliteedikontrolli parandamisega saab parandada selle stabiilsust kõrge temperatuuriga keskkondades. Lisaks saab süsinikkiu vastupidavust kõrgele temperatuurile suurendada katmise või muude pinnatöötlustehnoloogiate abil.
kokkuvõtteks
Kokkuvõtteks võib öelda, et süsinikkiu füüsikalised muutused kõrgel temperatuuril hõlmavad peamiselt muutusi selle struktuuris, mehaanilistes omadustes ja elektrijuhtivuse omadustes. Need muutused mõjutavad oluliselt selle kasutamist kõrge temperatuuriga keskkondades. Seetõttu tuleb süsinikkiudmaterjalide projekteerimisel ja kasutamisel täielikult arvestada nende töövõime muutumist kõrge temperatuuri tingimustes ning võtta kasutusele vastavad kaitsemeetmed, et tagada nende pikaajaline stabiilsus ja töökindlus.
