Ion-Beam Surface Modification of Carbon Fibers

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Carbon fibers are used in the production of automobiles, airplanes, sporting goods, energy, and biomedicine due to their unique properties such as high specific strength, high specific tensile strength, low coefficient of thermal expansion, and low density. The research and development of both the technology of carbon fibers production and their modification for a wide range of applications have been and remain relevant. The summary of the accumulated experience in the modification of carbon fibers shows that ion-beam treatment allows to obtain a variety of geometry of the developed surface topography, in particular, whisker-shaped and corrugated oriented across or along the fiber. Such processing compares favorably with ordinary fiber whiskering both by a variety of geometry of the composite interface, and by the absence of the problem of whisker-fiber adhesion. Ion-beam treatment also makes it possible to modify the surface layer structure from amorphized to ordered with different degrees of graphitization. Irradiation with chemically active ions leads to functionalization of carbon fiber due to formation, for example, of nitrides and carbon oxides. The choice of nitrogen ions for the technology of carbon-carbon and carbon-ceramic composites seems to be more preferable due to less stringent requirements for the temperature of the irradiated fiber. For ion-beam corrugation of polyacrylonitrile-based carbon fiber surface, only its heating above the temperature of dynamic annealing of radiation damage is required. The use of helium ions in technological plasma acceleration systems leads to a significant efficiency increase in ion-beam processing.

About the authors

N. N. Andrianova

Moscow Aviation Institute (National research university)

Email: anatoly_borisov@mail.ru
Russia, 125993, Moscow

A. M. Borisov

Moscow Aviation Institute (National research university); Moscow State University of Technology “STANKIN”

Author for correspondence.
Email: anatoly_borisov@mail.ru
Russia, 125993, Moscow; Russia, 127055, Moscow

E. S. Mashkova

Skobeltsyn Institute of Nuclear Physics of Moscow State University

Email: anatoly_borisov@mail.ru
Russia, 119997, Moscow

M. A. Ovchinnikov

Skobeltsyn Institute of Nuclear Physics of Moscow State University

Email: anatoly_borisov@mail.ru
Russia, 119997, Moscow

I. V. Suminov

Moscow State University of Technology “STANKIN”

Email: anatoly_borisov@mail.ru
Russia, 127055, Moscow

References

  1. Нагорный В.Г., Котосонов А.С., Островский В.С., Дымов Б.К., Лутков А.И., Ануфриев Ю.П., Барабанов В.Н., Белогорский В.Д., Кутейников А.Ф., Виргильев Ю.С., Соккер Г.А. Свойства конструкционных материалов на основе углерода. Справочник / Под ред. В.П. Соседова. М.: Металлургия, 1975. 336 с.
  2. Островский В.С., Виргильев Ю.С., Костиков В.И., Шипков Н.Н. Искусственный графит. М.: Металлургия, 1986. 272 с.
  3. Фитцер Э., Дифендорф Р., Калнин И., Ягер X., Хейес Б., Стензенбергер К., Адаме Д., Брунш К., Бергман X., Гастингс Г., Нагабхушанам Т., Зенг X., Ким С., Ри Б. Углеродные волокна и углекомпозиты. Пер. с англ. / Ред. Э. Фитцер. М.: Мир, 1988. 336 с.
  4. Dresselhaus M.S., Dresselhaus G., Sugihara K., Spain I.L., Goldberg H.A. // Graphite Fibers and Filaments. Springer Series in Materials Science. Volume 5. Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 1988. 382 p. https://www.doi.org/10.1007/978-3-642-83379-3
  5. Pierson H.O. Handbook of Carbon, Graphite, Diamond and Fullerenes. Noyes Publ., Park Ridge NJ, 1993. 415 p.
  6. Фиалков А.С. Углерод, межслоевые соединения и композиты на его основе. М.: Аспект Пресс, 1997. 718 с.
  7. Virgil’ev Yu.S. Kalyagina I.P. // Inorganic Materials. 2004. V. 40. Suppl. 1. P. S33. https://www.doi.org/10.1023/B:INMA.0000036327. 90241.5a
  8. Варшавский В. Я. Углеродные волокна М.: Варшавский, 2007. 500 с.
  9. Мэтьюз Ф., Ролингс Р. Композитные материалы. Механика и технология. М.: Техносфера, 2004. 408 с.
  10. Gibson R.F. // Compos. Struct. 2010. V. 92. P. 2793. https://www.doi.org/10.1016/j.compstruct.2010.05.003
  11. Мелешко А.И., Половников С.П. Углерод, углеродные волокна, углеродные композиты. М.: САЙН-ПРЕСС, 2007. 192 с.
  12. Yun G., Tang S.-Y., Lu H., Zhang S., Dickey M.D., Li W. // Small Sci. 2021. V. 1. Iss. 6. P. 2000080. https://www.doi.org/ 10.1002/smsc.202000080
  13. Черненко Н.М. // Перспективные материалы. 1999. № 6. С. 78.
  14. Черненко Н.М. // Современные проблемы производства и эксплуатации углеродной продукции. Челябинск: Библиотека А. Миллера, 2000. С. 217.
  15. Черненко Д.Н., Черненко Н.М. Щербакова Т.С. Грудина И.Г. Углеродкерамический волокнисто-армированный композиционный материал и способ его получения // Патент RU № 2684538. Опубл. 09.04.2019.
  16. Sager R.J., Klein P.J., Lagoudas D.C., Zhang Q., Liu J., Dai L. // Compos. Sci. Technol. 2009. V.69. P. 898. https://www.doi.org/10.1016/j.compscitech.2008.12.021
  17. Garcia E.J., Wardle B.L., Hart A.J., Yamamonj N. // Compos. Sci. Technol. 2008. V. 68. № 9. P. 2034. https://www.doi.org/10.1016/j.compscitech.2008.02.028
  18. Sharma S.P., Lakkad S.C. // Surf. Coat. Technol. 2010. V. 205. P. 350. https://www.doi.org/10.1016/j.surfcoat.2010.06.055
  19. Wickss S.S., Guzman R., Wardle B.L. // Compos. Sci. Technol. 2010. V. 70. P. 20. https://www.doi.org/10.1016/j.compscitech.2009.09.001
  20. Song Q., Li K.-Z., Li H.-L., Li H.-J., Chang R. // Carbon 2012. V. 50. P. 3949. https://www.doi.org/10.1016/j.carbon.2012.03.023
  21. Wu S., Liu Y., Ge Y., Ran L., Peng K, Yi M. // Composites A. 2016. V. 90. P 480. https://www.doi.org/10.1016/j.compositesa.2016.08.023
  22. Kinloch I.A., Suhr J., Lou J., Young R.J., Ajayan P.M. // Science. 2018. V. 362. P. 547. https://www.doi.org/10.1126/science.aat7439.
  23. Chechenin N.G., Chernykh P.N., Vorobyeva E.A., Timofeev O.S. // Appl. Surf. Sci. 2013. V. 275. P. 217. https://www.doi.org/10.1016/j.apsusc.2012.12.162
  24. Воробьева Е.А., Макаренко И.В., Макунин А.В., Трифонов В.А., Чеченин Н.Г. // Поверхность. Рентген., синхротр. и нейтрон. исслед. 2015. № 8. С. 29. https://www.doi.org/10.7868/S020735281508017X
  25. Kobzev V.A., Chechenin N.G., Bukunov K.A., Vorobyeva E.A., Makunin A.V. // Materials Today: Proceedings. 2018. V. 5. № 12. P. 26096. https://www.doi.org/10.1016/j.matpr.2018.08.036
  26. Kushkina K.D., Shemukhin A.A., Vorobyeva E.A., Bukunov K.A., Evseev A.P., Tatarintsev A.A., Maslakov K.I., Chechenin N.G., Chernysh V.S. // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B. 2018. V. 430. P. 11. https://www.doi.org/10.1016/j.nimb.2018.05.038
  27. Новиков Л.С., Воронина Е.Н., Черник В.Н., Чеченин Н.Г., Макунин А.В., Воробьева Е.А. // Поверхность. Рентген., синхротр. и нейтрон. исслед. 2016. № 6. С. 49. https://www.doi.org/10.7868/S0207352816060147
  28. Vorobyeva E.A., Chechenin N.G., Makarenko I.V., Kepman A.V. // J. Composites Sci. 2017. V. 1. № 6. https://www.doi.org/10.3390/jcs1010006
  29. Vorobyeva E.A., Evseev A.P., Petrov V.L., Shemukhin A.A., Chechenin N.G. // Moscow University Physics Bull. 2021. V. 76. № 1. P. 29. https://www.doi.org/10.3103/s0027134921010112
  30. Mashkova E.S., Molchanov V.A. Medium-Energy Ion Reflection from Solids. Amsterdam: North-Holland, 1985. 444 p.
  31. Лигачева Е.А., Галяева Л.В., Гаврилов Н.В. // Физика и химия обработки материалов. 2006. № 1. С. 46.
  32. Ivanov M.V., Gavrilov N.V., Belyh T.A., Ligacheva E.A., Galijeva L.V., Ligachev A.E., Sohoreva V.V. // Surf. Coat. Technol. 2007. V. 201. P. 8326. https://www.doi.org/10.1016/j.surfcoat.2006.12.034
  33. Андрианова Н.Н., Борисов А.М., Виргильев Ю.С., Машкова Е.С., Немов А.С., Питиримова Е.А., Тимофеев М.А. // Поверхность. Рентген., синхротр. и нейтрон. исслед. 2008. № 5. С. 59
  34. Andrianova N.N., Borisov A.M., Mashkova E.C., Virgiliev Yu.S. // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B. 2009. V. 267. P. 2778. https://www.doi.org/10.1016/j.nimb.2009.05.021
  35. Авилкина В.С., Андрианова Н.Н., Борисов А.М., Виргильев Ю.С., Машкова Е.С., Питиримова Е.А., Тимофеев М.А. // Физика и химия обработки материалов. 2009. № 5. С. 21.
  36. Andrianova N.N., Borisov A.M., Mashkova E.S., Virgiliev Yu.S. // J. Spacecraft Rockets. 2011. V. 48. P. 45. https://www.doi.org/10.2514/1.49462
  37. Andrianova N.N., Borisov A.M., Mashkova E.S., Virgiliev Yu.S. // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B. 2011. V. 269. P. 861. https://www.doi.org/10.1016/j.nimb.2010.12.063
  38. Авилкина В.С., Андрианова Н.Н., Борисов А.М., Виргильев Ю.С., Машкова Е.С. // Поверхность. Рентген., синхротр. и нейтрон. исслед. 2012. № 8. С. 3
  39. Andrianova N.N., Borisov A.M., Mashkova E.S., Parilis E.S., Virgiliev Yu.S. // Horizons in World Physics. NY, USA: Nova Science Publishers, Inc., 2013. V. 280. P. 171
  40. Андрианова Н.Н., Борисов А.М., Виргильев Ю.С., Машкова Е.С., Петров Д.В. // Поверхность. Рентген., синхротр. и нейтрон. исслед. 2014. № 6. С. 6.
  41. Андрианова Н.Н., Борисов А.М., Машкова Е.С., Шульга В.И. // Поверхность. Рентген., синхротр. и нейтрон. исслед. 2016. № 4. С. 51.
  42. Аникин В.А., Борисов А.М., Макунин А.В., Машкова Е.С., Овчинников М.А. // Приборы. 2017. № 12. С. 46.
  43. Andrianova N.N., Borisov A.M., Kazakov V.A., Mashkova E.S., Ovchinnikov M.A., Savushkina S.V., Chernenko N.M. // J. Phys.: Conf. Ser. 2017. V. 941. P. 012028. https://www.doi.org/10.1088/1742-6596/941/1/012028
  44. Андрианова Н.Н., Аникин В.А. Борисов А.М., Машкова Е.С., Казаков В.А., Овчинников М.А., Савушкина С.В. // Изв. РАН. Сер. физич. 2018. Т. 82. № 2. С. 140.
  45. Аникин В.А., Борисов А.М., Макунин А.В., Машкова Е.С., Овчинников М.А. // Ядерная физика и инжиниринг. 2018. Т.9. № 2. С. 122.
  46. Borisov A.M., Chechenin N.G., Kazakov V.A., Mashkova E.S., Ovchinnikov M.A. // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B. 2019. V. 460. P. 132. https://www.doi.org/10.1016/j.nimb.2019.03.045
  47. Andrianova N.N., Borisov A.M., Makunin A.V., Mashkova E.S., Ovchinnikov M.A. // J. Phys.: Conf. Ser. 2019. V. 1396. P. 012003. https://www.doi.org/10.1088/1742-6596/1396/1/012003
  48. Андрианова Н.Н., Борисов А.М., Казаков В.А., Макунин А.В., Машкова Е.С., Овчинников М.А. // Поверхность. Рентген., синхротр. и нейтрон. исслед. 2020. № 3. С. 20.
  49. Андрианова Н.Н., Борисов А.М., Казаков В.А., Макунин А.В., Машкова Е.С., Овчинников М.А. // Изв. РАН. Сер. физич. 2020. Т. 84. № 6. С. 857.
  50. Andrianova N.N., Anikin V.A., Borisov A.M., Gorina V.A., Makunin A.V., Mashkova E.S., Ovchinnikov M.A., Cheblakova E.G., Sleptsov V.V. // J. Phys.: Conf. Ser. 2019. V. 1313. P. 012001. https://www.doi.org/10.1088/1742-6596/1313/1/012001
  51. Андрианова Н.Н., Бейлина Н.Ю., Борисов А.М., Машкова Е.С., Черненко Д.Н., Черненко Н.М. // Поверхность. Рентген., синхротр. и нейтрон. исслед. 2014. № 3. С. 15.
  52. Андрианова Н.Н., Бейлина Н.Ю., Борисов А.М., Машкова Е.С., Черненко Д.Н., Черненко Н.М. // Вакуумная техника и технология. 2014. Т. 23. № 1. С. 85.
  53. Borisov A.M., Makunin A.V., Mashkova E.S., Kazakov V.A., Ovchinnikov M.A., Sleptsov V.V. // J. Phys.: Conf. Ser. 2018. V. 1121. P. 012008. https://www.doi.org/10.1088/1742-6596/1121/1/012008.
  54. Anikin V.A., Andrianova N.N., Borisov A.M., Mashkova E.S., Ovchinnikov M.A., Savushkina S.V., Chernenko D.N., Chernenko N.M. // J. Phys.: Conf. Ser. 2017. V. 941. P. 012029. https://www.doi.org/:10.1088/1742-6596/941/1/012029
  55. Borisov A.M., Gorina V.A., Mashkova E.S., Ovchinnikov M.A., Cheblakova E.G., Chernenko D.N., Chernenko N.M. // Materials Today: Proceedings. 2018. V. 5. P. 26058. https://www.doi.org/10.1016/j.matpr.2018.08.029
  56. Черненко Н.М., Черненко Д.Н., Бейлина Н.Ю., Елизаров П.Г., Борисов А.М., Машкова Е.С., Андрианова Н.Н. // Патент RU № 2 560 362. Опубл. 20.08.2015.
  57. Борисов А.М., Андрианова Н.Н., Аникин В.А., Машкова Е.С., Овчинников М.А., Черненко Д.Н., Черненко Н.М., Шульгина Ю.М. // Патент RU № 2 689 584. Опубл.: 28.05.2019.
  58. Borisov A.M., Mashkova E.S. // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B. 2007. V. 258. P. 109. https://www.doi.org/10.1016/j.nimb.2006.12.078
  59. Борисов А.М., Виргильев Ю.С., Машкова Е.С. // Поверхность. Рентген., синхротр. и нейтрон. исслед. 2008. № 1. С. 58.
  60. Платонов П.А., Штромбах Я.И., Карпухин В.И., Виргильев Ю.С., Чугунов О.К., Трофимчук Е.И. // Атомноводородная энергетика и технология. Вып. 6. М.: Энергоатомиздат, 1984. С. 77.
  61. Виргильев Ю.С., Чугунова Т.К., Макарченко В.Г., Муравьева Е.В. // Изв. АН СССР. Сер. Неорганические материалы. 1984. Т. 20. № 8. С. 1378.
  62. Андрианова Н.Н., Борисов А.М., Высотина Е.А., Тимофеев М.А., Машкова Е.С., Овчинников М.А. // Поверхность. Рентген., синхротр. и нейтрон. исслед. 2021. № 3. С. 24.
  63. Andrianova N.N., Borisov A.M., Mashkova E.S., Ovchinnikov M.A., Timofyev M.A., Vysotina E.A. // Vacuum. 2021. V. 188. P. 110177. https://www.doi.org/10.1016/j.vacuum.2021.110177
  64. Andrianova N.N., Borisov A.M., Makunin A.V., Mashkova E.S., Ovchinnikov M.A., Vysotina E.A. // J. Phys.: Conf. Ser. 2020. V. 1713. P. 012005. https://www.doi.org/10.1088/1742-6596/1713/1/012005
  65. Борисов А.М., Машкова Е.С., Тимофеев М.А., Овчинников М.А. // Поверхность. Рентген., синхротр. и нейтрон. исслед. 2022. № 5. С. 26.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2.

Download (358KB)
Indexing metadata
3.

Download (327KB)
Indexing metadata
4.

Download (507KB)
Indexing metadata
5.

Download (591KB)
Indexing metadata
6.

Download (166KB)
Indexing metadata
7.

Download (176KB)
Indexing metadata
8.

Download (621KB)
Indexing metadata
9.

Download (510KB)
Indexing metadata
10.

Download (115KB)
Indexing metadata
11.

Download (74KB)
Indexing metadata
12.

Download (2MB)
Indexing metadata
13.

Download (409KB)
Indexing metadata
14.

Download (622KB)
Indexing metadata
15.

Download (372KB)
Indexing metadata
16.

Download (461KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2023 Н.Н. Андрианова, А.М. Борисов, Е.С. Машкова, М.А. Овчинников, И.В. Суминов

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies