Каковы термические свойства углерод-углеродных композитов и какие факторы влияют на эти свойства?

Углерод-углеродные (C-C) композиты известны своими исключительными термическими свойствами, что делает их идеальными для высокотемпературных и сложных применений, таких как компоненты аэрокосмической техники (например, тормозные диски для самолетов, сопла ракет, наконечники возвращаемых аппаратов) и промышленные печи. Эти свойства сильно зависят от процесса производства, типа волокна, ориентации и плотности матрицы.

Тепловые свойства углерод-углеродных композитов

Высокотемпературная стабильность:

Композиты типа C-C сохраняют свои механические свойства и размерную стабильность при экстремально высоких температурах, часто превышающих 2000 °C (3632 °F) и даже до 3000 °C (5432 °F) в неокислительной атмосфере. Это значительно выше, чем у большинства металлов и других современных керамических материалов.

Их превосходная стойкость к тепловому удару является важным преимуществом, позволяющим им выдерживать быстрые и экстремальные перепады температур без существенных повреждений.

Теплопроводность:

Композиты типа C-C могут обладать широким диапазоном теплопроводности – от хороших изоляторов до превосходных проводников, в зависимости от способа изготовления и микроструктуры. Такая «адаптируемая» теплопроводность является существенным преимуществом.

Анизотропия: Теплопроводность часто анизотропна, то есть меняется в зависимости от направления.

В плоскости (вдоль направления волокон): значения могут варьироваться от примерно 10 Вт/(м·К) до 233 Вт/(м·К). Графитизированные волокна способствуют более высокой проводимости в плоскости.

По толщине (перпендикулярно направлению волокон): значения обычно ниже и варьируются от 2 Вт/(м·К) до 21 Вт/(м·К).

Зависимость от температуры: теплопроводность обычно уменьшается с повышением температуры, хотя значения могут быть довольно стабильными при очень высоких температурах.

По сравнению с другими материалами: хотя простой композит углеродного волокна и эпоксидной смолы может иметь теплопроводность в 40 раз меньше, чем алюминий, и в 10 раз меньше, чем сталь, современные композиты типа C-C, особенно с высокографитизированными матрицами, могут достигать теплопроводности, сравнимой с некоторыми металлами или даже превосходящей их. Коэффициент теплового расширения (КТР):

Композиты типа C-C обычно обладают очень низким коэффициентом теплового расширения, что означает, что они демонстрируют минимальные изменения размеров при колебаниях температуры. Это способствует их превосходной размерной стабильности и стойкости к тепловому удару.

Анизотропия: Как и теплопроводность, КТР композитов типа C-C часто анизотропен.

В направлении волокон углеродные волокна могут иметь даже отрицательный КТР, то есть они слегка сжимаются при нагревании. Это уникальное свойство в сочетании с матрицей может приводить к очень низкому или даже близкому к нулю общему КТР в определенных направлениях.

Типичные диапазоны для линейного КТР составляют примерно от −1×10⁻⁶ K-1 до +8×10⁻⁶ K-1.

КТР зависит от типа волокна, структуры переплетения, плотности матрицы и степени графитизации. Удельная теплоёмкость:

Удельная теплоёмкость углерод-углеродных композитов в целом сопоставима с теплоёмкостью графита, особенно при температурах выше 340 К.

Типичные значения составляют около 760 Дж/(кг·К) (0,18 БТЕ/(фунт·°F)) при комнатной температуре и могут увеличиваться с повышением температуры.

Факторы, влияющие на тепловые свойства:

Тепловые свойства композитов типа C-C не являются фиксированными значениями, а значительно варьируются в зависимости от:

Типа и архитектуры волокон: Тип углеродных волокон (например, на основе ПАН, на основе пека), их ориентация (однонаправленное, двунаправленное, разнонаправленное переплетение) и объемная доля играют решающую роль. Высокоориентированные и графитизированные волокна обеспечивают более высокую теплопроводность в направлении волокон.

Материал матрицы: Углеродная матрица, образованная такими процессами, как химическая инфильтрация в газовой фазе (CVI) или инфильтрация в жидкой фазе (LPI) с последующим пиролизом, существенно влияет на свойства. Микроструктура матрицы (например, шероховатая пластинчатая, гладкая пластинчатая, изотропный пиролитический углерод) влияет на теплопроводность и КТР.

Термообработка графитизации: Высокотемпературная графитизация (часто выше 2000 ℃) превращает аморфный углерод в кристаллический графит, что, как правило, повышает теплопроводность и модуль упругости.

Плотность и пористость: Более высокая плотность и более низкая пористость обычно обеспечивают улучшенную теплопроводность и более стабильные свойства.

Сопряжение волокон и матрицы: Хорошо сцепленное соединение облегчает теплопередачу и улучшает общие тепловые характеристики композита.

Подводя итог, можно сказать, что углерод-углеродные композиты — это уникальные материалы, сочетающие в себе высокую термостойкость, превосходную стойкость к тепловому удару и широкий диапазон настраиваемых характеристик теплопроводности и теплового расширения, что делает их незаменимыми в экстремальных температурных условиях.