Badania właściwości włókien węglowych po modyfikacji ich powierzchni

• Autorzy: Zarański Z. , Łosik I. , Bojar Z.

Warianty tytułu

EN

Investigations of continuous carbon fibre surface after modification process

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Przedstawiono wyniki badań morfologii warstwy wierzchniej i właściwości włókien węglowych o różnym stanie warstwy powierzchniowej, przeznaczonych do zbrojenia kompozytów metalicznych o osnowie na bazie aluminium. Przedmiot badań stanowiły włókna elementarne lub wiązki rowingowe włókien wysokomodułowych HMS 5236 w stanie „handlowym" (powierzchnia włókien powleczona impregnatem przystosowanym do osnowy polimerowej), w stanie po usunięciu impregnatu przez wygrzewanie wstępne w temperaturze 1000°C w ciągu 30 minut w atmosferze czystego argonu (określone jako „surowe") i w stanie po modyfikacji warstwy powierzchniowej według technologii zaproponowanej przez autorów. Modyfikacja włókien węglowych polegała na wytworzeniu na ich powierzchni cienkiej warstewki z węglika krzemu. Warstewkę SiC uzyskano w wyniku reakcji krzemu (składnik żywicy silikonowej, którą impregnowano wiązki rowingowe włókien) i węgla z powierzchni włókien w czasie obróbki temperaturowej włókien impregnowanych roztworem żywicy. W porównawczej ocenie struktury i właściwości włókien węglowych wykorzystano skaningową mikroskopie elektronową (pakiety włókien elementarnych), rentgenowską analizę fazową (pakiety włókien elementarnych) oraz statyczną próbę rozciągania (włókna elementarne i pojedyncze wiązki rowingowe) i próbę żaroodporności włókien (pakiety włókien elementarnych). Przeprowadzone badania pozwalają stwierdzić, że warstewka SiC na włóknach węglowych stanowi barierę dyfuzyjną, ograniczającą wzajemną reaktywność pomiędzy komponentami, zarówno w czasie formowania, jak i późniejszej eksploatacji kompozytu.

EN

Elemental continuous carbon fibres or HMS 5236 roving of high modulus fibres in ,,merchant" condition (the surface of fibres covered with polymeric impregnation), in condition after removing of impregnation by initial thermal heating at the temperature of 1550°C, in argonium atmosphere (called as ,,raw" condition) and in condition after modification process (according to author's proposal), were investigated in this work. Modified carbon fibres means that single roving of carbon fibres was impregnated with silicon resin solution and then thermally heated in graphite reactor. A subtle SiC layer, playing a role of diffusion barrier during producing a composite by spontaneous dampening of roving, was obtained as a result of modification process. Main goals of conducted tests were: — to identificate, by X-ray analysis (Fig. 1), a phase structure of modified carbon-fibres surface (using XRD 3003 Siefert difractometer); - to estimate morphology and geometric parameters (Fig. 2) of modified carbon fibres surface (using XL-30LaB6 SEM); - to measure braking force (Fig. 3a) and elongation for elemental fibres (using microforce tester); - to measure strength properties (Fig. 3b, c) of roving samples (using Instron 8501 universal pulsator); - to compare an oxidation resistance (Fig. 4) of fibres in ,,raw" and modified condition (by measuring of loss mass value after each stage of heating at temperature of 850°C, in air atmosphere). It has been shown that basic phase component of modified carbon fibres surface layer was silicon carbide SiC (a week but noticeable (004) and (110) peaks were visible in tested range of 20 angle - Fig. 1). Packages of elemental carbon fibres in ,,merchant", ,,raw" and modified conditions were subjected to morphological testing (Fig. 2) of their surfaces and important morphological differences were stated. The morphology differences observed were adequate to the state of carbon fibres surface layer. So fragments of polymeric coatings visible on ,,merchant" carbon fibres surface were not fully continuous and diverse in thickness (Fig. 2a). Heating of these ,,merchant" carbon fibres in oxidation atmosphere gives possibility on effective removing the preparation thus ,,raw", roughly carbon surface becomes exposed (Fig. 2b). The surface layer of carbon fibres in modified condition is much more homogenous (morphologically) and has different chemical composition (visible in BSE detector picture - Fig. 2c). The results of strength properties testing of elemental carbon fibres (Fig. 3) or samples of single roving (Tab. 1) sub­jected to various processes of treatment are different from those given by supplier of carbon fibres in ,,merchant" condition. The tensile strength of modified carbon fibres (as elemental and in roving) is, in comparison to the ,,raw" carbon fibres, lower and their modulus of elasticity (in the same comparison) is higher. Conducted tests of ,,raw" and modified carbon fibre oxidation resistance proved that SiC coatings obtained during modification process effectively guard against chemical reactions in aluminium - carbon system. It is good prognosis for trials of infiltrating modified carbon fibres roving with liquid aluminium or aluminium-based alloys.

Słowa kluczowe

PL

włókno węglowe; modyfikacja; właściwości

EN

carbon fibre; modification process

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej
• Czasopismo: Kompozyty
• Rocznik: 2002
• Tom: R. 2, nr 5
• Strony: 318--322
• Opis fizyczny: Bibliogr. 9 poz., tab., wykr., rys.

Twórcy

autor

Zarański Z.

• Wojskowa Akademia Techniczna, Instytut Materiałoznawstwa i Mechaniki Technicznej, ul. Kaliskiego 2, 00-908 Warszawa

autor

Łosik I.

• Wojskowa Akademia Techniczna, Instytut Materiałoznawstwa i Mechaniki Technicznej, ul. Kaliskiego 2, 00-908 Warszawa

autor

Bojar Z.

• Wojskowa Akademia Techniczna, Instytut Materiałoznawstwa i Mechaniki Technicznej, ul. Kaliskiego 2, 00-908 Warszawa

Bibliografia

• [1] Mathews F.L., Rawlings R.D., Composite Materials, Engineering and Sciences, London 1994.
• [2] Hunt W.H. Jr, Aluminium Metal Matrix Composites Today, Materials Science Forum 2000, 331-337.
• [3] Waku Y., Nagasawa T., Future trends and recent developments of fabrication technology for advanced MMC and IMC, Processing and Fabrication of Advanced Materials III, The Minerals, Metals & Materials Society, 1994.
• [4] Boczkowska A., Kapuściński J., Puciłowski K., Wojciechowski S., Kompozyty, Oficyna Wydawnicza PW, Warszawa 2000.
• [5] Łosik I., Zarański Z., Otrzymywanie warstwy technologicznej z SiC na powierzchni włókien węglowych, Mat. Krajowej Konferencji nt. Dobór i eksploatacja materiałów inżynierskich, Jurata 1997.
• [6] Łosik I., Zarański Z., Otrzymywanie materiałów kompozytowych włókno węglowe - stop na bazie aluminium w układzie zwilżającym, Mat. II Seminarium Naukowego nt. Kompozyty i ich wykorzystanie w technice, Katowice 2000.
• [7] Zarański Z., Bojar Z., Durejko T., Investigations of wettability and infiltration phenomenon at aluminium - carbon fibres composites, Acta Metallurgica Slovaca 2001, 3.
• [8] Zarański Z., Łosik I., Modyfikacja powierzchni włókien węglowych przeznaczonych do zbrojenia kompozytów z osnową metaliczną na bazie aluminium, Biuletyn WAT 2000, 7.
• [9] Zarański Z., Bojar Z., Badania struktury i właściwości powłoki barierowej na włóknach węglowych do zbrojenia kompozytów na osnowie stopów aluminium, Inżynieria Materiałowa 2000, 6.