RU2523483C1 - Method of strengthening carbon fibre - Google Patents
Method of strengthening carbon fibre Download PDFInfo
- Publication number
- RU2523483C1 RU2523483C1 RU2012155621/05A RU2012155621A RU2523483C1 RU 2523483 C1 RU2523483 C1 RU 2523483C1 RU 2012155621/05 A RU2012155621/05 A RU 2012155621/05A RU 2012155621 A RU2012155621 A RU 2012155621A RU 2523483 C1 RU2523483 C1 RU 2523483C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- carbon fiber
- fullerene
- carbon
- solution
- fiber
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Настоящее изобретение относится к упрочнению волокна, и, в частности, к способу получения упрочненного углеродного волокна для композиционных материалов, которые могут быть использованы в различных областях от производства спортивного инвентаря до частей самолетов.The present invention relates to fiber reinforcement, and in particular, to a method for producing reinforced carbon fiber for composite materials that can be used in various fields from the manufacture of sports equipment to parts of aircraft.
Углеродные волокна обладают малым удельным весом, но в то же время являются высокопрочным и очень жестким материалом. Углеродные волокна обычно производят из полиакрилонитрила, пеков или вискозного прекурсора. Термическая обработка волокна, получаемого на основе полиакрилонитрила, при температурах выше 1000°С приводит к карбонизации близкой к 100%, а также к более ориентированной графеновой микроструктуре и увеличению значения модуля упругости. Чем выше требуется получить значения модуля, тем сложнее и дороже осуществить соответствующую термическую обработку и сопутствующие процедуры. Например, оценочная стоимость производства углеродного волокна с модулем 270 ГПа в два раза выше, чем для волокна с модулем 220 ГПа [Kruckenberg Т.М., Hill V.A. патент WO 130979, опубликован 15.11.2007].Carbon fibers have a low specific gravity, but at the same time they are high-strength and very rigid material. Carbon fibers are usually made from polyacrylonitrile, pitch, or a viscose precursor. Heat treatment of the fiber obtained on the basis of polyacrylonitrile at temperatures above 1000 ° C leads to carbonization close to 100%, as well as to a more oriented graphene microstructure and an increase in the value of the elastic modulus. The higher the module values are required, the more difficult and expensive it is to carry out the appropriate heat treatment and related procedures. For example, the estimated cost of producing carbon fiber with a module of 270 GPa is two times higher than for a fiber with a module of 220 GPa [Kruckenberg TM, Hill V.A. patent WO 130979, published November 15, 2007].
Основной областью применения углеродных волокон являются композиционные материалы. Данные материалы не уступают по прочности металлам и при этом гораздо их легче, обладают высокой изностостойкостью и устойчивостью к коррозии. Имея такие характеристики, композиционные материалы на основе углеродного волокна находят применение во многих отраслях, начиная производством спортивного инвентаря и заканчивая производством деталей для самолетов.The main field of application of carbon fibers are composite materials. These materials are not inferior in strength to metals and at the same time they are much lighter, they have high wear resistance and corrosion resistance. With these characteristics, carbon fiber-based composite materials are used in many industries, from sports equipment to aircraft parts.
Физико-механические характеристики композиционных материалов напрямую зависят от качества углеродного волокна, входящего в их состав. В процессе изготовления углеродное волокно накапливает дефекты, и прочность его значительно ниже теоретически возможной. В связи с этим предлагаются различные варианты решения данной задачи.Physico-mechanical characteristics of composite materials directly depend on the quality of the carbon fiber included in their composition. During the manufacturing process, carbon fiber accumulates defects, and its strength is much lower than theoretically possible. In this regard, various options for solving this problem are proposed.
Перспективным направлением в данной области является использование в качестве модифицирующей добавки для углеродного волокна углеродных наноструктур таких, как частицы нанографита, многостенные и одностенные углеродные нанотрубки, фуллерены и фуллереноподобные образования.A promising direction in this area is the use of carbon nanostructures such as nanographite particles, multi-walled and single-walled carbon nanotubes, fullerenes and fullerene-like formations as a modifying additive for carbon fiber.
Так как основное применение углеродных волокон изготовление композиционных материалов на их основе, большая часть разработок по модификации волокна направлена именно на улучшение свойств композиционного материала.Since the main use of carbon fibers is the manufacture of composite materials based on them, most of the development of fiber modification is aimed specifically at improving the properties of composite materials.
Известен способ упрочнения углеродного волокна при помощи двухстадийной термообработки (патент RU 2413799, МПК D01F 9/12 опубликован 10.03.2010). В данном способе понижают концентрацию микронапряжений в углеродном волокне, возникающих при его производстве и понижающих прочность углеродного волокна. Упрочнение углеродного волокна производят в две стадии, включающие нагрев до 500-1200°С и последующее охлаждение до 30-100°С в инертной атмосфере. Недостатком метода является то, что при помощи описанной термообработки устраняются лишь микронапряжения, при этом дефекты и микротрещины на углеродном волокне остаются.A known method of hardening carbon fiber using two-stage heat treatment (patent RU 2413799, IPC D01F 9/12 published 03/10/2010). In this method, the concentration of microstresses in the carbon fiber that occur during its production and lower the strength of the carbon fiber is reduced. The hardening of the carbon fiber is carried out in two stages, including heating to 500-1200 ° C and subsequent cooling to 30-100 ° C in an inert atmosphere. The disadvantage of this method is that using the described heat treatment only microstresses are eliminated, while defects and microcracks on the carbon fiber remain.
Известен способ повышения физико-механических характеристик композиционного материала путем использования углеродного волокна, и полиароматической смолы модифицированной углеродными нанотрубками (патент JP 2007-119318, МПК С04В 35/83, опубликован 17.05.2007).There is a method of increasing the physicomechanical characteristics of a composite material by using carbon fiber and a polyaromatic resin modified with carbon nanotubes (patent JP 2007-119318, IPC С04В 35/83, published May 17, 2007).
Известен способ упрочнения углеродными нанотрубками углеродного волокна на основе пека (патент US 7153452, МПК Н01В 1/04, D1F9/127, D1F9/145). В данном способе в разогретый до 280°С мезофазный пек добавляют углеродные нанотрубки в количествах от 0,01 до 1,0% по массе, перемешивают, а затем получают углеродное волокно из данного пека. Недостатком является то, что данным способом можно получить углеродное волокно, упрочненное наноструктурами, лишь на основе пека.A known method of hardening with carbon nanotubes of carbon fiber based on pitch (patent US 7153452, IPC Н01В 1/04, D1F9 / 127, D1F9 / 145). In this method, carbon nanotubes in amounts from 0.01 to 1.0% by weight are added to the mesophase pitch heated to 280 ° C, mixed, and then carbon fiber is obtained from this pitch. The disadvantage is that in this way it is possible to obtain carbon fiber reinforced with nanostructures, only on the basis of pitch.
Существуют также приемы по упрочнению углеродного волокна, полученного на основе полиакрилонитрила, связанные с добавлением углеродных нанотрубок в прекурсор - полиакрилонитрил. Однако для получения положительного результата, а именно для увеличения прочности получаемого углеродного волокна, эти приемы методы требуют сложных и дорогих по осуществлению процедур упорядочения и диспергации нанотрубок в полиакрилонитриле таких, как электропрядение и механико-магнитные методы. [Titchenal, et al., "SWNT and MWNT reinforced Carbon Nanocomposite Fibrils", опубликована 15.11.2004]There are also methods for hardening the carbon fiber obtained on the basis of polyacrylonitrile, associated with the addition of carbon nanotubes to the precursor polyacrylonitrile. However, to obtain a positive result, namely, to increase the strength of the obtained carbon fiber, these techniques require complex and expensive procedures for ordering and dispersing nanotubes in polyacrylonitrile, such as electrospinning and mechanical-magnetic methods. [Titchenal, et al., "SWNT and MWNT reinforced Carbon Nanocomposite Fibrils", published Nov 15, 2004]
Известен способ изготовления углерод/углеродного композиционного материала, одним из этапов которого является получение углеродного волокна, модифицированного углеродными нанотрубками (WO 063298, МПК Н05Н 1/00 опубликован 26.05.2011). В описываемом способе на термически обработанное углеродное волокно наносят наночастицы оксидов железа. Затем проводят их восстановление, и выращивают углеродные нанотрубки методом химического осаждения из газовой фазы. Недостатком данного метода является повреждение микроструктуры филаментов углеродного волокна во время роста нанотрубок, вызываемое взаимодействием частиц железа и углерода поверхностных слоев филаментов.A known method of manufacturing a carbon / carbon composite material, one of the stages of which is to obtain carbon fiber modified with carbon nanotubes (WO 063298, IPC H05H 1/00 published on 05.26.2011). In the described method, iron oxide nanoparticles are deposited on a heat-treated carbon fiber. Then, they are reduced and carbon nanotubes are grown by chemical vapor deposition. The disadvantage of this method is damage to the microstructure of carbon fiber filaments during the growth of nanotubes, caused by the interaction of iron particles and carbon surface layers of filaments.
Наиболее близким по технической сущности (прототипом) является способ упрочнения углеродного волокна, полученного на основе полиакрилонитрила, вискозы или пека, путем распыления взвеси углеродных наноструктур (патент WO 130979 МПК D06M 11/74, D06M 23/08, B64D 45/02 опубликован 15.11.2007). В описываемом способе добавление модифицирующего компонента происходит к готовому углеродному волокну (то есть не на стадии прядения и формирования из прекурсора). В отдельном случае, предлагают провести предварительную химическую обработку поверхности филаментов углеродного волокна для введения функциональных групп, которые способствуют взаимодействию и образованию связей между атомами на поверхности волокна и атомами добавляемых углеродных наноструктур. Жгут углеродного волокна пропускают через систему валиков и, таким образом, раскатывают до состояния ленты, чтобы филаменты, находящиеся внутри жгута, оказались открытыми. Далее на углеродное волокно из специальной колонки распыляют наноструктурный углерод. Распыляют как в виде порошка, так и в виде аэрозоля коллоидного раствора наночастиц. Затем раскатанное углеродное волокно с нанесенными наноструктурами подвергают нагреву, пропуская через электропечь, инфракрасный излучатель или нагретые валики. Затем дополнительно прокатывают через валики для устранения разупорядочения, возникающего при напылении и термообработке. На последнем этапе указанную «ленту» снова завивают в жгут, и, таким образом, получают распределенные по всему объему жгута углеродного волокна упрочняющие наноструктуры. В качестве углеродных наноструктурных добавок в этом способе используют многостенные и одностенные углеродные нанотрубки, наночастицы графита, нановолокна, фуллерены. Впоследствии укрепленное углеродное волокно используют для изготовления композиционного материала. К существенному недостатку данного способа следует отнести очень неравномерное покрытие филаментов углеродными наноструктурами: наноструктуры наносят лишь на ту часть поверхности, которая обращена к распылительной колонке.The closest in technical essence (prototype) is a method of hardening a carbon fiber obtained on the basis of polyacrylonitrile, rayon or pitch by spraying a suspension of carbon nanostructures (patent WO 130979 IPC D06M 11/74, D06M 23/08, B64D 45/02 published 15.11. 2007). In the described method, the addition of the modifying component occurs to the finished carbon fiber (i.e., not at the stage of spinning and formation from the precursor). In a separate case, it is proposed to conduct a preliminary chemical treatment of the surface of carbon fiber filaments to introduce functional groups that facilitate the interaction and formation of bonds between atoms on the fiber surface and atoms of added carbon nanostructures. The carbon fiber bundle is passed through a system of rollers and, thus, rolled to the state of the tape so that the filaments inside the bundle are open. Next, nanostructured carbon is sprayed onto a carbon fiber from a special column. Sprayed both in powder form and in the form of an aerosol of a colloidal solution of nanoparticles. Then the rolled carbon fiber coated with nanostructures is heated by passing through an electric furnace, infrared emitter or heated rollers. Then additionally rolled through the rollers to eliminate the disorder that occurs during spraying and heat treatment. At the last stage, the said “ribbon” is again curled into a bundle, and thus, reinforcing nanostructures distributed throughout the entire volume of the carbon fiber bundle are obtained. As carbon nanostructured additives in this method, multi-walled and single-walled carbon nanotubes, nanoparticles of graphite, nanofibers, fullerenes are used. Subsequently, reinforced carbon fiber is used to make the composite material. A significant disadvantage of this method is the very uneven coating of filaments with carbon nanostructures: nanostructures are applied only to that part of the surface that faces the spray column.
Задачей заявленного изобретения является устранение вышеуказанных недостатков и разработка способа по упрочнению углеродного волокна, при помощи углеродных наноструктур и, в частности, фуллерена С60 и фуллерен содержащих саж и черней, что позволит увеличить такие физико-механические характеристики углеродного волокна, как предельная прочность на разрыв и модуль упругости.The objective of the claimed invention is to eliminate the above disadvantages and develop a method for hardening carbon fiber using carbon nanostructures and, in particular, fullerene C 60 and fullerene containing soot and black, which will increase such physical and mechanical characteristics of carbon fiber as ultimate tensile strength and modulus of elasticity.
Данные наноструктуры имеют высокое сродство к углеродной поверхности, так как сами состоят из атомов углерода и теоретически могут образовывать прочные химические связи с атомами углеродного волокна. Другими словами, попадая в дефекты или трещины филаментов, образующих жгут углеродного волокна, данные наноструктуры образуют упрочняющие кластеры, а также, как полагают, связываются с функциональными группами атомов поверхности филаментов, повышая прочностные характеристики волокна. Фуллерены также существенно улучшают антистатические свойства материала. Однако фуллерены достаточно легко окисляются кислородом воздуха, поэтому все процедуры с фуллеренами и углеродным волокном с нанесенными фуллеренами необходимо проводить в инертной атмосфере.These nanostructures have a high affinity for the carbon surface, since they themselves consist of carbon atoms and theoretically can form strong chemical bonds with carbon fiber atoms. In other words, falling into defects or cracks of filaments forming a carbon fiber tow, these nanostructures form reinforcing clusters, and are also believed to bind to functional groups of atoms on the surface of filaments, increasing the strength characteristics of the fiber. Fullerenes also significantly improve the antistatic properties of the material. However, fullerenes are easily oxidized by atmospheric oxygen, therefore, all procedures with fullerenes and carbon fiber coated with fullerenes must be carried out in an inert atmosphere.
При упрочнении углеродного волокна при помощи наноструктур большую роль играет структура волокна и, в частности, морфология поверхности. Углеродное волокно, полученное на основе пеков, в основном имеет радиальную укладку графеноподбных слоев. При этом базисная плоскость этих слоев перпендикулярна поверхности филаментов, что приводит к наличию большого количества наноразмерных ущелий и продольных трещин на поверхности волокна. Подобные дефекты поверхности наблюдаются и у углеродных волокон, полученных на основе полиакрилонитрила. В связи с разупорядоченной структурой филаментов графеноподобные слои зачастую краями выходят на поверхность, образуя протяженные наноущелья практически по всей длине филаментов, при этом их ширина составляет единицы нанометров. Наличие дефектов, характеризующихся столь малыми размерами, способствует высокой сорбции наноразмерных углеродных частиц, включая фуллерены. При получении углеродного волокна из вискозного прекурсора, как правило, образуется волокна с коаксиальной укладкой слоев в филаменте. По этой причине на поверхности такого углеродного волокна отсутствуют дефекты, подобные описанным для углеродных волокон, полученных на основе полиакрилонитрила или из пеков. Упрочнение заявляемым способом в данном случае представляет более сложную задачу и требует проведения дополнительных исследований. Таким образом, заявляемый способ упрочнения волокна подходит в большей мере для углеродных волокон, полученных на основе полиакрилонитрила или из пеков.When hardening a carbon fiber using nanostructures, a major role is played by the fiber structure and, in particular, surface morphology. The carbon fiber obtained from the pitch mainly has a radial packing of graphene-like layers. In this case, the basal plane of these layers is perpendicular to the surface of the filaments, which leads to the presence of a large number of nanoscale gorges and longitudinal cracks on the fiber surface. Similar surface defects are observed in carbon fibers obtained on the basis of polyacrylonitrile. Due to the disordered structure of the filaments, graphene-like layers often come to the surface with the edges, forming extended nanogrees along almost the entire length of the filaments, and their width is several nanometers. The presence of defects characterized by such small sizes contributes to high sorption of nanosized carbon particles, including fullerenes. Upon receipt of carbon fiber from a viscose precursor, as a rule, fibers are formed with coaxial laying of layers in the filament. For this reason, there are no defects on the surface of such a carbon fiber similar to those described for carbon fibers derived from polyacrylonitrile or from pitch. Hardening by the claimed method in this case is a more difficult task and requires additional research. Thus, the inventive method of fiber hardening is more suitable for carbon fibers obtained on the basis of polyacrylonitrile or from pitch.
Проведенные авторами настоящего изобретения экспериментальные исследования и испытания показали, что фуллерены и содержащие фуллерен сажи и черни, переведенные в состояние раствора или золя, прекрасно проникают в многофиламентные волокна и равномерно их пропитывают. Это позволяет получать волокно, поверхность которого равномерно покрыта углеродными наноструктурами. Также авторы данного изобретения в ходе экспериментальных исследований установили, что при дополнительной активации фуллеренов и других наночастиц фуллерен содержащей сажи или черни, например, при облучении высокоэнергетическим лазером, происходит, согласно данным КР-спектрометрии, образование полимеризованного фуллерена, а также, как полагают, образуются связи между функциональными группами на поверхности филамента и нанесенными наночастицами.The experimental studies and tests carried out by the inventors of the present invention have shown that fullerenes and soot and black containing fullerene converted into a solution or sol state penetrate perfectly into multifilament fibers and uniformly impregnate them. This allows you to get a fiber whose surface is uniformly coated with carbon nanostructures. Also, the authors of this invention during experimental studies found that with the additional activation of fullerenes and other nanoparticles of fullerene containing soot or black, for example, when irradiated with a high-energy laser, according to Raman spectrometry, the formation of polymerized fullerene occurs and, as it is believed, are formed bonds between functional groups on the filament surface and deposited nanoparticles.
Для решения поставленной задачи в настоящем изобретении применена пропитка углеродного волокна, раствором или золем углеродных наноструктур, и, в частности, раствором фуллерена С6о или золем фуллерен содержащей сажи или черни. Пропитку проводят в инертной атмосфере, например, в атмосфере аргона. Для приготовления пропиточного раствора в заявляемом изобретении используют различные растворители, в которых фуллерен обладает достаточной растворимостью, например, сероуглерод, декалин, а также бензол, толуол, изомеры крезола и другие ароматические растворители. Наиболее рекомендуемым является толуол, так как его легко удалять на этапе просушки. Для нанесения готовят пропиточный раствор, который является либо насыщенным раствором фуллерена С60 в толуоле, - либо золем фуллерен содержащей сажи или черни. Углеродное волокно помещают в пропиточный раствор на 24 ч при температуре 0°С. Затем пропиточный раствор удаляют декантацией, а углеродное волокно просушивают от остатков растворителя при комнатной температуре, продувая аргон над углеродным волокном в течение не менее 5 ч.To solve the problem in the present invention, impregnation of carbon fiber, a solution or a sol of carbon nanostructures, and, in particular, a solution of fullerene C6o or a fullerene sol containing soot or black, is used. The impregnation is carried out in an inert atmosphere, for example, in an argon atmosphere. To prepare the impregnation solution in the claimed invention, various solvents are used in which fullerene has sufficient solubility, for example, carbon disulfide, decalin, as well as benzene, toluene, cresol isomers and other aromatic solvents. Toluene is most recommended as it is easy to remove during the drying phase. For application, an impregnating solution is prepared, which is either a saturated solution of fullerene C 60 in toluene, or a fullerene sol containing soot or black. Carbon fiber is placed in an impregnating solution for 24 hours at a temperature of 0 ° C. Then the impregnation solution is removed by decantation, and the carbon fiber is dried from the residual solvent at room temperature, blowing argon over the carbon fiber for at least 5 hours
В качестве дополнительной стадии проводят активацию фуллерена и других частиц фуллерен содержащей сажи или черни интенсивным облучением, например, лазерным излучением в ультрафиолетовом или видимом диапазоне, либо облучением от интенсивной УФ лампы, либо обработкой в установке с ионной или электронной пушкой. Обработанное таким образом углеродное волокно пригодно для изготовления композиционного материала.As an additional step, fullerene and other fullerene particles containing soot or black are activated by intense irradiation, for example, by laser radiation in the ultraviolet or visible range, or by irradiation from an intense UV lamp, or by treatment in an installation with an ion or electron gun. The carbon fiber thus treated is suitable for the manufacture of a composite material.
Использование пропитки насыщенным раствором фуллерена С60 либо золя фуллерен содержащей сажи или черни позволяет достичь равномерного покрытия наноструктурами поверхности углеродного волокна даже в межфиламентных областях, недоступных.The use of impregnation with a saturated solution of fullerene C 60 or a fullerene sol containing soot or black makes it possible to achieve uniform coverage of the carbon fiber surface with nanostructures, even in interfilament regions that are inaccessible.
Облучение лазером обосновывается тем фактом, что при этом процессе фуллерен переходит в фазу, нерастворимую в органических растворителях, а между молекулами фуллерена формируются прочные ковалентные связи, а также, вероятно, фуллерены образуют связи с функциональными атомами и группами, расположенными на поверхности филаментов, что в свою очередь способствует упрочнению углеродного волокна.Laser irradiation is justified by the fact that in this process fullerene passes into a phase insoluble in organic solvents, and strong covalent bonds form between fullerene molecules, and also, fullerenes form bonds with functional atoms and groups located on the surface of the filaments, which in turn contributes to the hardening of carbon fiber.
На фиг.1-4 приведены схемы и фотографии, поясняющие заявляемое изобретение:Figure 1-4 shows diagrams and photographs explaining the claimed invention:
на фиг.1 представлена схема реализации упрочнения углеродного волокна, как описано в примере 1;figure 1 presents a diagram of the implementation of the hardening of carbon fibers, as described in example 1;
на фиг.2 представлена схема реализации упрочнения углеродного волокна, как описано в примере 3;figure 2 presents a diagram of the implementation of hardening of carbon fiber, as described in example 3;
на фиг.3 представлена полученная в растровом электронном микроскопе микрофотография поверхности филамента исходного углеродного волокна: а) увеличение в 22000 раз; б) увеличение в 75000 раз;figure 3 presents the obtained in a scanning electron microscope micrograph of the surface of the filament of the original carbon fiber: a) an increase of 22,000 times; b) an increase of 75,000 times;
на фиг.4 представлена полученная в растровом электронном микроскопе микрофотография поверхности филамента упрочненного углеродного волокна с нанесенным фуллереном С60 после активационного воздействия: а) увеличение в 12000 раз; б) увеличение в 50000 раз; Примеры реализации способа упрочнения углеродного волокна. Пример 1. Упрочнение проводят следующим образом. Для приготовления пропиточного раствора фуллерена С6о в толуоле сначала наполняют емкость аргоном, для удаления кислорода. Затем вносят в емкость 150 мг фуллерена С60 в расчете на 1 м углеродного волокна; заполняют вторую емкость толуолом в количестве 50 мл; вытесняют из толуола во второй емкости кислород, содержащийся в толуоле, пробулькиванием аргона в течение 10-15 мин. Затем вносят очищенный толуол в первую емкость, контролируя, чтобы пространство над раствором фуллерена С60 в толуоле было заполнено аргоном, и герметизируют емкость. Растворение фуллерена С60 в толуоле проводят в течение 5 ч, с периодическим взбалтыванием. Помещают углеродное волокно, взятое в виде жгута, в емкость с раствором фуллерена С60 в толуол; заполняют аргоном пространство над раствором фуллерена С60 с углеродным волокном, взятым в виде жгута, и герметизируют. Нанесение происходит путем пропитки в течение суток при температуре 0°С. Затем вытягивают жгут углеродного волокна в стеклянную трубку в потоке аргона. Сушат жгут углеродного волокна в стеклянной трубке в потоке аргона. Полученное углеродное волокно обладает повышенными физико-механическими характеристиками.figure 4 presents the obtained in a scanning electron microscope micrograph of the surface of the filament of a hardened carbon fiber coated with C60 fullerene after activation exposure: a) an increase of 12,000 times; b) an increase of 50,000 times; Examples of the method of hardening carbon fiber. Example 1. Hardening is carried out as follows. To prepare an impregnating solution of fullerene C6o in toluene, the container is first filled with argon to remove oxygen. Then, 150 mg of fullerene C 60 is added to the container per 1 m of carbon fiber; fill the second container with toluene in an amount of 50 ml; displaced from the toluene in the second tank, the oxygen contained in toluene by bubbling argon for 10-15 minutes Then, purified toluene is introduced into the first container, making sure that the space above the solution of fullerene C 60 in toluene is filled with argon, and the container is sealed. The dissolution of fullerene C 60 in toluene is carried out for 5 hours, with occasional agitation. The carbon fiber, taken in the form of a tow, is placed in a container with a solution of fullerene C 60 in toluene; fill with argon the space above the solution of fullerene C 60 with carbon fiber, taken in the form of a tow, and seal. Application occurs by impregnation during the day at a temperature of 0 ° C. The carbon fiber tow is then pulled into a glass tube in an argon stream. Dry the carbon fiber tow in a glass tube in an argon stream. The resulting carbon fiber has improved physical and mechanical characteristics.
Схема процесса получения упрочненного углеродного волокна, пропитанного раствором фуллерена С60 в толуоле, представлена на фиг.1. Пример 2. Последовательность действий как в примере 1. Только дополнительно проводят облучение пропитанного фуллереном С60 углеродного волокна высокоэнергетическим зеленым лазером с длиной волны 514 нм. Проводят облучение при интенсивности - 10,3 Вт/см2, общей дозе - 50,0кДж/см2 и времени облучения - 16 ч 30 мин в расчете на 1 м углеродного волокна. Полученное углеродное волокно обладает повышенными физико-механическими характеристиками: прочность на разрыв возрастает на 11-18%, модуль упругости возрастает на 5-7% по сравнению с соответствующими значениями для исходного волокна.A diagram of the process for producing a hardened carbon fiber impregnated with a solution of fullerene C 60 in toluene is shown in FIG. Example 2. The sequence of actions as in example 1. Only additionally carry out the irradiation of fullerene C 60 carbon fiber with a high-energy green laser with a wavelength of 514 nm. Irradiation is carried out at an intensity of 10.3 W / cm 2 , a total dose of 50.0 kJ / cm 2 and an irradiation time of 16 hours 30 minutes per 1 m of carbon fiber. The obtained carbon fiber has improved physical and mechanical characteristics: the tensile strength increases by 11-18%, the elastic modulus increases by 5-7% compared with the corresponding values for the initial fiber.
Схема процесса получения упрочненного углеродного волокна, пропитанного раствором фуллерена C60 с дополнительным облучением, представлена на фиг.2.A diagram of the process of obtaining a hardened carbon fiber impregnated with a solution of fullerene C 60 with additional radiation is presented in figure 2.
Пример 3. Упрочнение углеродного волокна проводят по аналогии с первым примером. Только вместо раствора фуллерена C60 берут коллоидный раствор (золь) фуллерен содержащей сажи. Предельная прочность на разрыв для композиционного материала на основе упрочненного в данном примере углеродного волокна возрастает на 15%.Example 3. The hardening of the carbon fiber is carried out by analogy with the first example. Only instead of a solution of fullerene C 60 take a colloidal solution (sol) of fullerene containing soot. The ultimate tensile strength for a composite material based on the hardened carbon fiber in this example increases by 15%.
Пример 4. Упрочнение углеродного волокна проводят по аналогии с первым примером. Только вместо раствора фуллерена C60 берут коллоидный раствор (золь) фуллерен содержащей черни. Предельная прочность на разрыв для композиционного материала на основе упрочненного в данном примере углеродного волокна возрастает на 11%.Example 4. The hardening of the carbon fiber is carried out by analogy with the first example. Only instead of a solution of fullerene C 60 take a colloidal solution (sol) of fullerene containing black. The ultimate tensile strength for a composite material based on the hardened carbon fiber in this example increases by 11%.
В заявленном способе углеродное волокно берут в виде жгута, ткани и т.п. Наряду с используемым в примерах толуолом, применяют и другие растворители, способные образовывать раствор фуллерена или золь фуллерен содержащей сажи или черни. Также для активации фуллерена C60 наряду с облучением зеленым лазером используют облучение лазером с другими длинами волн в видимом или ультрафиолетовом диапазоне, либо облучение от интенсивной УФ лампы, либо обработку в установке с ионной или электронной пушкой.In the inventive method, the carbon fiber is taken in the form of a tow, fabric, etc. In addition to the toluene used in the examples, other solvents capable of forming a fullerene solution or a fullerene sol containing soot or black are also used. Also, to activate C 60 fullerene, along with green laser irradiation, laser irradiation with other wavelengths in the visible or ultraviolet range is used, either irradiation from an intense UV lamp, or treatment in an ion or electron gun installation.
Композиционные материалы на основе углеродного волокна, упрочненного нанесенными углеродными наноструктурами, демонстрируют повышенные физико-механические характеристики по сравнению с композиционным материалом, изготовленным на основе исходного углеродного волокна, а именно, предельная прочность на разрыв возрастает на 15% при постоянном значении модуля. Таким образом, способ упрочнения углеродного волокна, осуществляемый путем нанесения углеродных наноструктур на жгут углеродного волокна пропиткой раствором фуллерена C60 или золем фуллерен содержащей сажи или черни позволяет достигнуть поставленной задачи. Углеродное волокно, упрочненное наноструктурами углерода, имеет повышенные значения прочности на разрыв до 11-18% и модуля упругости - до 5-7%, вместе с тем возрастает значение величины предельной прочности на разрыв до 15% для композиционного материала, изготовленного на основе данного волокна.Composite materials based on carbon fiber, hardened by deposited carbon nanostructures, demonstrate improved physical and mechanical characteristics compared to composite materials made on the basis of the original carbon fiber, namely, the ultimate tensile strength increases by 15% with a constant value of the module. Thus, the method of hardening carbon fiber, carried out by applying carbon nanostructures to a carbon fiber tow by impregnation with a solution of fullerene C 60 or a fullerene sol containing soot or black, allows to achieve this goal. A carbon fiber reinforced with carbon nanostructures has increased tensile strengths up to 11-18% and elastic modulus up to 5-7%, while the value of ultimate tensile strength up to 15% for a composite material made on the basis of this fiber increases .
Claims (4)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2012155621/05A RU2523483C1 (en) | 2012-12-21 | 2012-12-21 | Method of strengthening carbon fibre |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2012155621/05A RU2523483C1 (en) | 2012-12-21 | 2012-12-21 | Method of strengthening carbon fibre |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2012155621A RU2012155621A (en) | 2014-06-27 |
| RU2523483C1 true RU2523483C1 (en) | 2014-07-20 |
Family
ID=51215954
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2012155621/05A RU2523483C1 (en) | 2012-12-21 | 2012-12-21 | Method of strengthening carbon fibre |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2523483C1 (en) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2634450C1 (en) * | 2016-07-20 | 2017-10-30 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт конструкционных материалов на основе графита "НИИграфит" | Method of hardening carbon fibres |
| WO2019082757A1 (en) * | 2017-10-27 | 2019-05-02 | 昭和電工株式会社 | Carbon fibers and method for producing same |
| WO2019082755A1 (en) * | 2017-10-27 | 2019-05-02 | 昭和電工株式会社 | Carbon fibers and method for producing same |
| WO2019082760A1 (en) * | 2017-10-27 | 2019-05-02 | 昭和電工株式会社 | Carbon fiber and method for producing same |
| RU2698809C1 (en) * | 2018-05-31 | 2019-08-30 | Общество с ограниченной ответственностью "Межотраслевой инжиниринговый центр МГТУ им. Н.Э. Баумана" (ООО "МИЦ МГТУ им. Н.Э. Баумана") | Method of producing composite material based on carbon fibers |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2223988C2 (en) * | 2001-11-19 | 2004-02-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" | Polymer binder, composition material based thereon, and a method for preparation thereof |
| JP2007119318A (en) * | 2005-10-31 | 2007-05-17 | Shinshu Univ | Carbon fiber-reinforced carbon composite material including carbon nanotube |
| WO2007130979A2 (en) * | 2006-05-02 | 2007-11-15 | Rohr, Inc. | Modification of reinforcing fiber tows used in composite materials by using nanoreinforcements |
| RU2324706C2 (en) * | 2002-10-04 | 2008-05-20 | Е Энд Е Текнолоджи Инк. | Cured without heating binding agent composition and method of moulding piece production with its use |
| RU2413799C1 (en) * | 2010-04-29 | 2011-03-10 | Открытое акционерное общество "Национальный институт авиационных технологий" (ОАО НИАТ) | Procedure for strengthening carbon fibres |
| WO2011063298A1 (en) * | 2009-11-23 | 2011-05-26 | Applied Nanostructured Solutions, Llc | Cnt-infused fibers in carbon-carbon composites |
-
2012
- 2012-12-21 RU RU2012155621/05A patent/RU2523483C1/en active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2223988C2 (en) * | 2001-11-19 | 2004-02-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" | Polymer binder, composition material based thereon, and a method for preparation thereof |
| RU2324706C2 (en) * | 2002-10-04 | 2008-05-20 | Е Энд Е Текнолоджи Инк. | Cured without heating binding agent composition and method of moulding piece production with its use |
| JP2007119318A (en) * | 2005-10-31 | 2007-05-17 | Shinshu Univ | Carbon fiber-reinforced carbon composite material including carbon nanotube |
| WO2007130979A2 (en) * | 2006-05-02 | 2007-11-15 | Rohr, Inc. | Modification of reinforcing fiber tows used in composite materials by using nanoreinforcements |
| WO2011063298A1 (en) * | 2009-11-23 | 2011-05-26 | Applied Nanostructured Solutions, Llc | Cnt-infused fibers in carbon-carbon composites |
| RU2413799C1 (en) * | 2010-04-29 | 2011-03-10 | Открытое акционерное общество "Национальный институт авиационных технологий" (ОАО НИАТ) | Procedure for strengthening carbon fibres |
Cited By (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2634450C1 (en) * | 2016-07-20 | 2017-10-30 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт конструкционных материалов на основе графита "НИИграфит" | Method of hardening carbon fibres |
| CN111465732A (en) * | 2017-10-27 | 2020-07-28 | 昭和电工株式会社 | Carbon fiber and method for producing same |
| WO2019082755A1 (en) * | 2017-10-27 | 2019-05-02 | 昭和電工株式会社 | Carbon fibers and method for producing same |
| WO2019082760A1 (en) * | 2017-10-27 | 2019-05-02 | 昭和電工株式会社 | Carbon fiber and method for producing same |
| CN111247286A (en) * | 2017-10-27 | 2020-06-05 | 昭和电工株式会社 | Carbon fiber and method for producing same |
| WO2019082757A1 (en) * | 2017-10-27 | 2019-05-02 | 昭和電工株式会社 | Carbon fibers and method for producing same |
| EP3702520A4 (en) * | 2017-10-27 | 2020-11-11 | Showa Denko K.K. | Carbon fibers and method for producing same |
| EP3702518A4 (en) * | 2017-10-27 | 2020-12-23 | Showa Denko K.K. | Carbon fiber and method for producing same |
| EP3702519A4 (en) * | 2017-10-27 | 2020-12-30 | Showa Denko K.K. | Carbon fibers and method for producing same |
| US11512424B2 (en) | 2017-10-27 | 2022-11-29 | Showa Denko K.K. | Carbon fiber and method of manufacturing same |
| US11585043B2 (en) | 2017-10-27 | 2023-02-21 | Showa Denko K.K. | Carbon fiber and method of manufacturing same |
| US11603627B2 (en) | 2017-10-27 | 2023-03-14 | Showa Denko K.K. | Carbon fiber and method of manufacturing same |
| CN111465732B (en) * | 2017-10-27 | 2023-03-28 | 昭和电工株式会社 | Carbon fiber and method for producing same |
| RU2698809C1 (en) * | 2018-05-31 | 2019-08-30 | Общество с ограниченной ответственностью "Межотраслевой инжиниринговый центр МГТУ им. Н.Э. Баумана" (ООО "МИЦ МГТУ им. Н.Э. Баумана") | Method of producing composite material based on carbon fibers |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2012155621A (en) | 2014-06-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Prilutsky et al. | The effect of embedded carbon nanotubes on the morphological evolution during the carbonization of poly (acrylonitrile) nanofibers | |
| Kim et al. | Deformation processes of ultrahigh porous multiwalled carbon nanotubes/polycarbonate composite fibers prepared by electrospinning | |
| RU2523483C1 (en) | Method of strengthening carbon fibre | |
| JP5559868B2 (en) | Fiber sizing agent composed of nanoparticles | |
| Breton et al. | Mechanical properties of multiwall carbon nanotubes/epoxy composites: influence of network morphology | |
| AU2010321535B2 (en) | CNT-infused fibers in thermoset matrices | |
| US20110297892A1 (en) | Cnt-infused fibers in thermoplastic matrices | |
| KR101374234B1 (en) | method for manufacturing continuous carbon nanotube fibers reinforced with carbon precursor | |
| US20110171469A1 (en) | Cnt-infused aramid fiber materials and process therefor | |
| Zhang et al. | Influence of geometries of multi-walled carbon nanotubes on the pore structures of Buckypaper | |
| Jung et al. | Controlling the crystalline quality of carbon nanotubes with processing parameters from chemical vapor deposition synthesis | |
| Yan et al. | Structural evolution in graphitization of nanofibers and mats from electrospun polyimide–mesophase pitch blends | |
| Hiremath et al. | High-performance carbon nanofibers and nanotubes | |
| Nam et al. | Photoacoustic effect on the electrical and mechanical properties of polymer-infiltrated carbon nanotube fiber/graphene oxide composites | |
| Natarajan | Processing-structure-mechanical property relationships in direct formed carbon nanotube articles and their composites: A review | |
| Duong et al. | Post-spinning treatments to carbon nanotube fibers | |
| Qin et al. | Mechanical property deterioration and defect repair factors of carbon fibers during the continuous growth of carbon nanotubes by chemical vapor deposition | |
| Lee et al. | A review of high-performance carbon nanotube-based carbon fibers | |
| US20050228110A1 (en) | Continuous organic and inorganic matrix composite fibrils and methods for their production from carbon nanotubes | |
| Fraczek-Szczypta et al. | Carbon fibers modified with carbon nanotubes | |
| Eo et al. | Poly (2, 5-benzoxazole)/carbon nanotube composites via in situ polymerization of 3-amino-4-hydroxybenzoic acid hydrochloride in a mild poly (phosphoric acid) | |
| KR101398294B1 (en) | Method for manufacturing carbon nanotube fiber by electrospinning and method for manufacturing organic solar cell using the same | |
| Sharma et al. | Mechanical Properties of CNT Network-Reinforced Polymer Composites | |
| CN115197599B (en) | Expansion type nanostructured material and manufacturing method thereof | |
| Zha et al. | Fabrication and properties of high performance polyimide nanofibrous films by electrospinning |