Углеродсодержащая масса для получения углеродных изделий

 

Сущность изобретения углеродные изделия получают на основе массы, содержащей 0,5-4,0 мае % углеродного волокна длиной не более 0,8 мм, 35,0-40,0 мас.% каменноугольного пека и прокаленного кокса фракции 0,1-0,2 мм - остальное. Углеродные изделия, полученные из массы данного состава обладают следующими свойствами, плотность 1790-1810 кг/м предел прочности при сжатии, изгибе и растяжении - 105,3-110,1 МПа, 41,6-50,1 МПа, 27,8-30,9 МПа соответственно 1 табл. 10 прим

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (s1)s С 01 В 31/02

/ 2

4 о (лЭ

Cd ос, (л) ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ (21) 4722635/26 (22) 08,06,89 (46) 23,09.92. Бюл, ¹ 35 (71) Московский электродный -завод (72) Д,А, Трапезников, С.А. Сурков и Л, Н. Шульгина (56) Патент Великобритании N 1343669, кл, С 01 В 31/07, 1974, (54) УГЛЕРОДСОДЕРЖАЯ МАССА ДЛЯ

ПОЛУЧЕНИЯ УГЛЕРОДНЫХ ИЗДЕЛИЙ

Изобретение относится к области получения углеродных материалов.

Композиционные материалы на основе дисперсного наполнителя технологичны, но обладают невысоким уровнем свойств, композиционные материалы на основе волокнистого напал нителя имеют высокие параметры, но сложны в исполнении и их технология нестабильна. В связи с этим напрашивается использование смеси этих наполнителей со связующим каменноугольным пеком, но возникают вопросы обеспечения необходимой адгезии связующего к обоим видам наполнителя.

Наиболее близким к изобретению является углеродный материал на основе смеси кокса, углеродного волокна и каменноугольного пека, Недостатком данного материала является сравнительно низкий уровень свойств из-за плохой адгезии компонентов между собой и низкого уровня свойств материала без волокнистого наполнителя, Целью изобретения является улучшение физико-механических характеристик изделий, Указанная цель достигается тем, что в углеродном материале на основе смеси кок. Ж,„, 1763363 А1 (57) Сущность изобретения; углеродные изделия получают на основе массы, содержащей 0,5 — 4,0 мас.% углеродного волокна длиной не более 0,8 мм, 35,0 — 40,0 мас.% каменноугольного пека и прокаленного кокса фракции 0,1 — 0,2 мм — остальное, Углеродные изделия, полученные из массы данного состава обладают следующими свойствами, плотность 1790 — 1810 кг/м: предел прочности при сжатии, изгибе и растяжении—

105,3 — 110,1 МПа, 41,6 — 50,1 МПа, 27,8 — 30,9

МПа соответственно. 1 табл. 10 прим, са, углеродного волокна и каменноугольного пека углеродное волокно выбрано длиной до 0,8 мм и введено в количестве 0,5-4,0 мас.%, кокс выбран непрокаленным фракции 0,1-0,2 мм, а содержание связующего лежит в интервале 35-40 мас,%.

Существенные отличительные признаки заявляемого изобретения связаны с достигаемым положительным эффектом следующим образом. Выбор длины волокна до 0,8 мм обусловлен тем, что, как экспериментально установлено авторами, при большей длине волокна оно армирует матрицу само по себе без учета влияния дисперсного наполнения, а при длине волокна ниже 0,8 мм зерна дисперсного наполнителя как бы

"садятся" на волокно, хорошо с ним связываясь, и это явление действует аналогично вискеризации волокна (созданию выступов в разные стороны), усиливая сцепление с матрицей. Количес гво вводимого волокна в пределах 0,5 — 4,0 мас.% выбрано авторами эксперйментально и может быть обьяснено тем. что при содержании волокна менее 0,5 мас,% его влияние статически незначимо, а при содержании волокна более 4,0 мас,% начинает проявляться описанное выше яв1763363 ление армирования волокон матрицы и сни- МПа, заливая пеком и создавая избыточное жается влияние наличия дисперсного на- давление в 0,6 МПа в течение трех часов. полнителя. Выбор непрокаленного кокса и, После повторного обжига по тому же режив особенности, его фракции 0,1 — 0,2 мм обус- му, проводят заключительную графитацию ловлен тем, что при этом матрица представ- 5 до 2500 С в течение 40 часов. Свойства полляет собой мелкозернистый материал на учаемых материалов представлены в привеоснове непрокаленного кокса с высоким денных нижепримерахитаблице, уровнем характеристик. Зерна наполнителя Пример 1. При прочих равных услофракции 0,1 — 0,2 мм хорошо "садятся" на виях, как описано выше, содержание углеволокно, Выбор интерваласодержания свя- 10 родного волокна выбирают равным 0,5 зующего в интервале 35 — 40 мас. сделан мас., а содержание связующего 35 мас./. авторами также на основе результатов экс- Плотность готового углеродного материала периментов, и объясняется тем, что при — 1790 кг/м, предел прочности при сжатии з меньших содержаниях связующего чем 108,5 МПа, предел прочности при изгибе—

35, высокая удельная поверхность мелко- 15 48,2 МПа, предел прочности при растяжедисперсного наполнителя и углеродного во- нии 27,8 МПа, удельное электросопротивлелокна не будет покрыта слоем связующего . ние — 10,2х10 Ом,м, достаточнойтолщины, связность материала Пример 2, При прочих равных услоснизится, и уровень свойств упадет, При виях, как в примере1, содержаниеуглеродбольших, чем 40, содержащих связующе- 20 ного волокна выбирают равным 4,0 вес, го, толщина прослоек связующего получает- а содержание связующего 40 вес, . Плот ся слишком значительной, превышающей ность готового углеродного материала— толщину этого поверхностного слоя связую- 1810 кг/м, предел прочности при сжатии— з щего, где сказывается влияние поверхности 105,3 МПа, предел прочности при изгибе— наполнителя, и в избыточном связующем 25 41,6 МПа, предел прочности при растяжеболее интенсивно образуются поры, вслед- нии — 30,9 МПа, удельное электросопротивствие чего пористость готового углеродного ление — 13,1х10 Ом.м. материала получается более высокой и уро- Пример 3, При тех же условиях вень свойств его также падает. содержание углеродного волокна выбирают

Углеродный материал получают следу- 30 равным 2,3 рес,, а содержание связующе. ющим образом. Непрокаленный кокс марки го равным 37,5 вес. . Плотность готового

КНПС по ГОСТ 22-898-78 измельчают в виб- углеродного материала — 1800 кг/м", предел ромельнице до фракции -0,2 мм, углеродное прочности при сжатии — 110,1 МПа, предел волокно марки ВМН-4 измельчают механи- прочности при изгибе — 50,1 МПа, предел ческим методом, например, в вибромельни- 35 прочности при растяжении — 29,8 МПа це до тех пор, пока длины отдельных удельноеэлектросопротивление — 11,8х10

4 филаментов не будут превышать 0,8 мм, по- Ом.м. сле чего в смесительной машине их смеши- Пример 4 (за рамками формулы вают в таких пропорциях, чтобы изобретения), При тех же условиях, что и в содержание волокна лежало в интервале 40 примере 1, содержание волокна выбирают

0,5 — 4,0 мас,, Смешивание ведут либо в равным 0,4, содержание связующего 417, . холодную для получения пресс-порошка, Плотность готового углеродного материала либо при температуре 120 С в течение 0,5 — 1760 кг/м, предел прочности при сжатии часа, после чего добавляют расплавленный — 92,3 МПа, предел прочности при изгибе— каменноугольный пек марки А по ГОСТ 45 39,9 МПа, предел прочности при растяже10200-83 с температурой 120 С в количест- нии — 22,6 МПа, удельное электросопротивве 35 — 40 мас, от всей массы и смешивают ление — 14,8х10 Ом.м. при температуре 120 С в течение 1 часа. Пример 5 (за рамками формулы

После окончания смешивания массу стаби- изобретения). При тех же условиях, что и в лизируют в миксере в течение 0,5-1 часа, 50 примере 1, содержание волокна выбирают охлаждая до температуры 90-100 С, после равным 4,1, а содержание связующего чего прессуют, например, в "глухую" матри- 34,5 вес. /, Плотность готового углеродногс цу при давлении 40,0 — 60,0 МПа, получая за- материала — 1750 кг/м", предел прочности готовки размером 200х500х1200 мм. Далее при сжатии — 90,8 МПа, предел прочности указанные заготовки обжигают до темпера- 55 при изгибе++ 38,2 ЫПа, а предел прочности туры 1000 С в течение 323 часов, пропиты- при растяжении — 20,7 МПа, удельное элеквают тем же пеком при температуре 200 С, тросопротивление — 13,3х10 Ом.м. предварительно нагревая заготовки до Пример 6 (за рамками формулы о

350 С, вакуумируя их в автоклаве в течение изобретения). При прочих равных условиях

0,5 часа до остаточного давления 1х10 каквпримере1измельчениенепрокаленно1763363

Варианты получения углеродного материала и достигаемые при атон уровне показатели

Характеристики

1 (Прототип Принер прим.10 1

Пример Пример Пример

2 3 4

-4, 0-52

-2, 3+1 2-1 Oь

-1,2+0,5-15»

-0,3 остальн.

-0 2

Разнер зерна непрокаленного кокса, мм

-0,2 -0,2 -0,2

0,8

0,8

0,8

0,8

0,8

0,8

0,8

19"20

Размер волокна,н.б.,мм

0,9

Содержание углеродного волокна, вес.2

5-8

0,4 4,1

0,5 . 4,0 2,3

0,5

0,5 0,5

0,5

35 35

Содержание связующего, зес.2

35

Плотность углеродного натериала, кг/н

1790 1810 1800 1760 1750

108,5 105,3 110,1 92,3 90,8

1740

1720 1760 1770

70,5 85,1 86,8

32,1 36,9 38,7

Предел прочности при сжатии, МПа

88,3

Предел прочности при изгибе, йПа

48,3

41,6 80,1

41,3

39,9 38,2

18,9 25,5 23,9

Предел прочности при рас тяжении, ИПа

27,8 30,9 29,8 22,6 20,7.

21,6

Удельное сопротивление ! оао.м

13,6 13,2 13,2

11,88

14,8 13,3

14,3

10,2 13,1 го кокса проводят до фракции — 0,1 мм.

Получить связанный материал не удается, так как большая часть фракций -0,1 мм скатывается в конгломераты с большой внутренней энергией, которые далее становятся зародышами окатышей, при прессовании окатыши плохо "склеиваются" и после обжига заготовки развалились, Пример 7 (за рамками формулы изобретения), При прочих равных условиях

КаК в примере 1 измельчение непрокаленного кокса ведут до фракции -0,3 мм. Плотность готового углеродного материала—

1720 кг/м, предел прочности при сжатии— з

70,5 МПа, предел прочности при изгибе—

32,1 МПа, предел прочности при растяжении — 18,9 МПа, удельное электросопротивление — 13,6х10 Ом,м.

Пример 8 (за рамками формулы изобретения). При прочих равных условиях, как в примере 1, измельчение волокна ведут до размеров ниже 0,9 мм. Плотность готового углеродного материала — 1760 кг/м, през дел прочности при сжатии 85,1 МПа, предел прочности при изгибе 36,9 МПа, предел прочности при растяжении 25,5 MIla, удельное электросопротивг,ение — 13,2х10 б Ом.м, Пример 9 (за рамками формулы изобретения), При прочих равных условиях, как в примере 1, измельченные волокна ведут до размеров ниже 1,1 мм. Плотность готового углеродного материала — 1770 кг/м, предел прочности при сжатии — 86,8 з

МПа, предел прочности при изгибе — 38,7

МПа, предел прочности при растяжении—

26,9 МПа, удельное электросопротивление — 13,2х10 ОМ,М.

5 Пример 10 (по прототипу). В шихту из прокаленного кокса по грансоставу соответствующего серийному графитовому электроду вводят волокно с размерами 10—

20 мм в количестве 5 — 8 мас.%. Полученный

10 материал имеет плотность — 1740 кг/м, през дел прочности при сжатии — 88,3 МПа, предел прочности при изгибе — 41,3 МПа, предел прочности при растяжении — 21,6

МПа, удельное электросопротивление—

15 14,3х10 Ом.м, Таким образом, сравнение показывает, что по отношению к прототипу применение изобретения позволяет получить в среднем повышение уровня свойств на 18,7%.

20 Формула изобретения

Углеродсодержащая масса для получения углеродных изделий, содержащая непрокаленный кокс, углеродное волокно и . каменноугольный пек, отличающаяся

25 тем, что, с целью улучшения физико-механических характеристик изделий, она содержит непрокаленный кокс фракции 0,1 — 0,2 мм и углеродное волокно длиной не более

0,8 мм при следующем соотношении компо30 нентов, мас,%; углеродное волокно длиной не более 0,8 мм 0,5 — 4,0; каменноугольный пек 35,0 — 40,0; непрокаленный кокс фракции

0,1 — 0,2 мм остальное, -0,2 -0,1 -0,3 -0,2 -0,2

40 37,5 41 34,5 35 . 35