Пресс-масса для изготовления изделий из углеродного композиционного материала

 

Использование: для производства тиглей для плавления в них металлов, дисков, деталей, проточной части химически стойких насосов, работающих при перепадах давления и в химически агрессивных средах. Сущность изобретения: пресс-масса на основе термореактивной смолы, например, фенолформальдегидной, содержит углеродный порошкообразный наполнитель или смесь порошкового углеродного наполнителя и углеродного волокнистого наполнителя при следующем соотношении связующего и наполнителя, мас. %: связующее 28-38; наполнитель 62-72, при этом содержание углеродного волокнистого наполнителя составляет не более 40% от общей массы наполнителя. Возможно в качестве порошкового углеродного наполнителя использовать порошок углерод-углеродного материала, а в качестве углеродного волокнистого наполнителя - вату. 2 з.п. ф-лы, 3 табл.

Изобретение относится к изготовлению изделий из углеродного композиционного материала (УКМ) и может быть использовано при производстве тиглей для плавления в них металлов, дисков, ампул, деталей прочной части химически стойких насосов, и может найти применение в химической, металлургической и др. отраслях промышленности.

Известна пресс-масса для изготовления изделий из углеродного композиционного материала на основе термореактивной фенолформальдегидной смолы и волокнистого углеродного наполнителя [1] в которой связующее и наполнитель взяты в следующем соотношении, мас.

Связующее 40-60 Наполнитель 40-60 Недостатком изобретения является сравнительно высокое содержание в пресс-массе связующего, что приводит, как правило, к значительной усадке углепластика при его карбонизации, что не позволяет получить изделия из УКМ без растрескивания.

Наиболее близкой по технической сущности является пресс-масса для изготовления изделий из УКМ на основе термореактивной фенолформальдегидной смолы и порошкового углеродного наполнителя [2] при следующем соотношении компонентов, мас.

Связующее 40-80 Наполнитель 20-60 Использование в пресс-массе вместо волокнистого порошкового наполнителя позволяет уменьшить, но не исключить усадку углеродных изделий при карбонизации это связано со сравнительно высоким содержанием в пресс-массе связующего. Недостатком изобретения является низкий ресурс работы изделий и снижение размерной точности их изготовления.

Заявляемая пресс-масса позволяет повысить ресурс работы и размерную точность изделий из УКМ за счет исключения усадки при карбонизации, обеспечивая работу при перепадах давления в химически агрессивных средах и при высоких температурах.

Такой технический эффект достигается тем, что в известной пресс-массе для изготовления изделий из углеродного композиционного материала на основе термореактивной смолы, например, фенолформальдегидной, содержащей углеродный наполнитель, в качестве углеродного наполнителя используют углеродный порошковый наполнитель или смесь порошкового углеродного наполнителя и углеродного волокнистого наполнителя при следующем соотношении связующего и наполнителя, мас.

Связующее 28-38 Наполнитель 62-72 при этом содержание углеродного волокнистого наполнителя составляет не более 40% от общей массы наполнителя.

Кроме того, в качестве углеродного наполнителя можно использовать порошок измельченного углерод-углеродного композиционного материала.

Кроме того, в качестве углеродного наполнителя можно использовать вату.

Содержание в пресс-массе связующего и наполнителя менее 28% и 62% соответственно приводит к образованию трещин, и, как следствие, к разрушению изделий на любой стадии изготовления из-за дефицита матричного материала.

При содержании в пресс-массе связующего и наполнителя более 38% и 72% соответственно происходит усадка образцов с образованием трещин и изменение размеров образцов.

Заявляемое соотношение связующего и наполнителя позволяет исключить усадку углепластиковой заготовки при карбонизации и получить изделия из УКМ без трещин и требуемой размерной точности без дополнительной мехобработки.

Кроме того, заявляемое соотношение связующего и наполнителя позволяет получить карбонизованный углепластик с высокой открытой пористостью и за счет заполнения пор пироуглеродом или карбидом кремния с последующей термообработкой при 1850^oС можно значительно увеличить ресурс работы изделий из заявляемой пресс-массы.

Также появляется возможность изготовления рабочих колес закрытого типа (т. е. для изделий более сложных в конструктивном исполнении) для химически стойких насосов путем механического соединения отдельно отпрессованных частей из углепластика с дополнительным химическим соединением при их совместном уплотнении пироуглеродом или пропиткой карбидом кремния.

Содержание углеродного волокнистого наполнителя в пресс-массе не более 40% от общей массы наполнителя позволяет произвести равномерное распределение его по объему изделия и тем самым исключить наличие трещин и снижение прочности изделий.

Использование в пресс-массе в качестве углеродного порошкового наполнителя порошка измельченного углерод-углеродного композиционного материала позволяет повысить твердость материала изделия, а значит, и его ресурс работы за счет повышения износостойкости. Кроме того, в процессе изготовления изделий можно использовать отходы производства.

Использование в пресс-массе в качестве углеродного волокнистого наполнителя ваты позволяет производить более равномерное армирование изделий, особенно тонкостенных.

Из предлагаемой пресс-массы были изготовлены рабочие колеса закрытого типа для химически стойкого насоса. Для этого расчетное количество порошкового наполнителя смешивают с фенолформальдегидным связующим вязкостью 70 с, после чего добавляют расчетное количество волокнистого наполнителя и тщательно перемешивают.

Пресс-массу формуют при температуре 160^oС и давлении 300 кгс/см². Полученное изделие из углепластика в форме дисков с лопатками соединяют между собой путем склейки и штифтования После этого изделие карбонизуют в среде азота до конечной температуры 850-1000^oC.

Карбонизованный углепластик уплотняют пироуглеродом из газовой фазы. Для повышения абразивной стойкости колеса его силицируют пропитывают раствором кремния и термообрабатывают при температуре 1850^oС.

Конкретные примеры изделий из УКМ на основе пресс-масс, отличающихся по составу, приведены в табл.1, где состав 1 запредельный к заявляемому, составы 2-5, 8-11 соответствуют заявляемым, состав 12 запредельный по содержанию в наполнителе волокна.

На основе анализа табл.1 можно сделать следующие выводы: 1. При недостаточном содержании связующего (≅ 28% состав 1) происходит изменение размеров образца углепластика образцы "разбухают" с образованием трещин и расслоений.

2. При содержании связующего в заявляемых пределах (составы 2-5, 8-11) размеры образцов при карбонизации остаются практически без изменений, трещин и расслоений не наблюдается.

3. При содержании в пресс-массе связующего более 38% при карбонизации происходит усадка образцов с образованием трещин.

4. При содержании углеродного волокнистого наполнителя в пресс-массе более 40% при карбонизации происходит образование трещин.

В табл.2 приведены результаты исследований материала на основе пресс-массы прототипа (примеры 1, 2) и материала на основе заявляемой пресс-массы (примеры 3, 4) на переделах. После проведения заключительных стадий изготовления произведена оценка их химической и коррозионной стойкости.

В качестве критерия химической стойкости в соответствии с методикой ГОСТ 12020 выбран коэффициент коррозии.

В качестве критерия абразивной стойкости выбран ресурс работы рабочего колеса до приемлемого износа лопаток.

В пресс-массе используются следующие необходимые материалы: графитовый порошок марки ГС, ГОСТ 17022-81; сажа (технический углерод), ГОСТ 7885-83; фенол-формальдегидная смола марки СФ-010, ГОСТ 18694-84; фуриловая смола (получается поликонденсацией фурилового спирта) марки ФЛ-2, СТУ 110221-258-64; фурфуролацетоновая смола на основе мономера ФА, МРТУ 6-05-945-64.

Углерод-углеродные композиционные материалы (УУКМ), которые могут быть использованы для получения порошкового наполнителя заявляемой пресс-массы, представляют собой углеродные волокна или порошок, связанны углеродным связующим, в качестве последнего может быть кокс смолы или пироуглерод, получаемый при пиролизе углеводородов. Это то, что касается их качественной структуры. Что касается количественного содержания компонентов в УУКМ, то оно может быть самым разнообразным, мас% Углеродный наполнитель 5-95 Углеродное связующее остальное
В УУКМ с углеродным волокнистым наполнителем содержание углеродного связующего должно быть не менее 5 вес. т.к. при меньшем его содержании углеродные волокна не приобретают той жесткости и хрупкости, которые обеспечивают возможность их измельчения на шаровой мельнице в порошок.

В целях правомочности употребления признака "термореактивная смола" в виде обобщенного понятия дополнительно приводим следующие примеры изделий из УУКМ на основе пресс-масс, отличающихся типом применяемого в них связующего (см.табл.3).

Как видно из табл. 2, материал, получаемый из заявляемой пресс-массы имеет более высокую химическую и абразивную стойкость, чем материал на основе пресс-массы прототипа.

Это связано с более высокой химической стойкостью и твердостью пироуглерода, которого из заявляемой пресс-массы можно ввести больше в материал, благодаря более высокой открытой пористости карбонизованного углепластика (см. графу 5 табл.2).

Проведение операции силицирования, благодаря высокой износостойкости карбида кремния, позволяет еще в большей степени повысить абразивную стойкость изделий из материала на основе заявляемой пресс-массы.

Формула изобретения

1. Пресс-масса для изготовления изделий из углеродного композиционного материала, включающая термореактивную смолу, преимущественно фенолформальдегидную, и углеродный наполнитель, отличающаяся тем, что в качестве углеродного наполнителя она содержит порошковый углеродный наполнитель или смесь порошкового углеродного наполнителя и углеродного волокнистого наполнителя при следующем соотношении компонентов, мас.

Термореактивная смола 28 38
Углеродный наполнитель Остальное
причем в случае использования смеси содержание углеродного волокнистого наполнителя составляет не более 40% от общей массы наполнителя.

2. Пресс-масса по п.1, отличающаяся тем, что в качестве порошкового углеродного наполнителя она содержит порошок измельченного углерод-углеродного композиционного материала.

3. Пресс-масса по п.1, отличающаяся тем, что в качестве углеродного волокнистого наполнителя она содержит вату.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 27.02.2003

Номер и год публикации бюллетеня: 16-2004

Извещение опубликовано: 10.06.2004        

---