Способ получения углеродного материала

 

Способ получения углеродного материала относится к области получения углеродных материалов с высокой объемной плотностью, в частности углерод - углеродных композитов на основе многонаправленных волокнистых каркасов (n = 2,3,4 ...) и углеродной матрицы, получаемой из пеков, смол в процессе карбонизации и последующих высокотемпературных обработок. Способ включает последовательные процессы пропитки заготовки расплавленными углеводородами и карбонизации в герметизированном контейнере в аппарате высокого давления, где в качестве передающей давление среды используют кварцевый песок, извлечения заготовки и ее графитизации в вакууме, причем процессы повторяют до получения материала с плотностью 1,95 - 2,01 г/см³. Углеводороды в виде слоя размещают на дне контейнера, на слой размещают заготовку, при этом пространство между боковыми поверхностями контейнера и заготовки заполняют порошковым материалом, теплопроводность которого превышает теплопроводность расплавленных углеводородов, при этом порошковый материал берут с размерами зерен, которые препятствуют их проникновению в поры заготовки, причем для первого процесса пропитки и карбонизации берут заготовку, выполненную в виде многонаправленного армирующего каркаса из углеродного материала, например углеродного волокна. В качестве углеводорода используют пек. В качестве порошкового материала - графитовый порошок. Способ позволяет снизить энерго- и трудозатраты за счет исключения цикла предварительного уплотнения заготовки и уменьшения времени пропитки и карбонизации. 2 з.п.ф-лы.

Изобретение относится к области получения углеродных материалов с высокой объемной плотностью, в частности углерод - углеродных композитов (УУК) на основе многонаправленных углеволокнистых каркасов (n=2,3,4...) и углеродной матрицы, получаемой из пеков или смол в процессе карбонизации и последующих высокотемпературных обработок.

Известен способ получения УУК на основе многонаправленных каркасов и пековой матрицы с плотностью до 1,8-2,0 г/см³, достигаемой последовательно за необходимое число циклов пропитки и карбонизации под давлением (Композиционные материалы. Справочник под ред. В.В.Васильева, Ю.М.Тарновского. -М. : Машиностроение, 1990, с.512). При этом предварительно повышают жесткость каркаса путем проведения нескольких циклов трансферной пропитки, карбонизации при нормальном давлении и графитации. Полученная заготовка характеризуется жесткостью, достаточной для того, чтобы вести процессы основного уплотнения с применением пропитки - карбонизации под давлением. Процессы пропитки - карбонизации под давлением проводят в газостатах, в которых средой, передающей давление и тепловую энергию, является инертный газ.

Существенным недостатком данного способа является то, что цикл предварительного уплотнения (повышения жесткости каркаса) требует специального пропиточного оборудования (автоклавов) и печей карбонизации при атмосферном давлении. Процесс получения высокоплотных УУК характеризуется большой длительностью (более 3 мес). На долю предварительного уплотнения приходится более 50% времени. Кроме того, пропитка и карбонизация в газостате требует значительных капитальных затрат, связанных с изготовлением газостатов, их обслуживанием, строительством взрывозащищенных помещений, а также с высокой стоимостью инертного газа.

Наиболее близким техническим решением является способ получения углеродного материала путем многократной пропитки заготовки расплавленным углеводородом и карбонизации под давлением 80-200 МПа (Пат.Российской Федерации N 1826468, приоритет от 03.11.86, C 04 B 35/52). Он заключается в следующем: вначале проводят предварительное уплотнение каркаса для исключения возможности искажения его пространственной структуры в процессе пропитки и карбонизации под давлением, а затем - пропитку и карбонизацию уплотненной заготовки под давлением 80 - 200 МПа. Для этого заготовку помещают в контейнер, площадь основания и высота которого превышают соответствующие величины заготовки, свободное пространство заливают расплавленным пеком, герметично закрывают крышкой и помещают в аппарат высокого давления типа цилиндр - поршень. Герметизацию контейнера осуществляют путем сварки крышки и корпуса контейнера. Контейнер нагревают и прикладывают давление. Давление создают с помощью гидравлического пресса. Средой, передающей давление, служит кварцевый песок. Затем заготовку извлекают из аппарата и графитируют в вакуумной печи при 2800^oC. Процесс пропитки-карбонизации под давлением и графитации повторяют 5 раз и получают заготовки с плотностью 1,95 - 2,01 г/см³. Длительность одного процесса пропитки - карбонизации под давлением для заготовки диаметром 450 мм и высотой 250 мм составляет 15 ч.

Существенным недостатком данного способа являются высокие энерго- и трудозатраты. Как и в аналоге, для этого способа необходимо проведение предварительного уплотнения каркаса, на что затрачивается ≈ 420 ч. Время, необходимое для основного цикла, состоящего из 5 процессов, также составляет ≈ 420 ч. Из-за того что пек находится в непосредственной близости от места сварки, не удается получить качественный сварной шов вследствие испарения пека. Это часто приводит к ранней разгерметизации контейнера, вытеканию пека и снижению эффективности процесса.

Задачей предлагаемого способа является снижение энерго- и трудозатрат за счет исключения цикла предварительного уплотнения заготовки и уменьшения времени, затрачиваемого на процесс пропитки и карбонизации под давлением.

Выполнение поставленной задачи достигается тем, что слой углеводородов размещают на дне контейнера, на слой помещают заготовку, при этом пространство между боковыми поверхностями контейнера и заготовки заполняют порошковым материалом, теплопроводность которого превышает теплопроводность расплавленных углеводородов, при этом порошковый материал берут с размерами зерен, препятствующими проникновению их в поры заготовки. Для первого процесса пропитки и карбонизации берут заготовку, выполненную в виде многонаправленного армирующего каркаса из углеродного материала, например углеродного волокна. Контейнер герметизируют и размещают в аппарате высокого давления. В качестве среды, передающей давление, используют кварцевый песок. Контейнер нагревают и поднимают давление. Процесс пропитки и карбонизации под давлением повторяют до получения материала с плотностью 1,95 - 2,01 г/см³. В качестве углеводорода используют, например, пек, а в качестве порошкового материала - графитовый порошок.

Заполнение пространства между боковыми поверхностями контейнера и заготовки порошковым материалом с теплопроводностью, превышающей теплопроводность пека, обеспечивает механическую поддержку каркаса, а также более быстрый и равномерный разогрев заготовки и пека, что значительно снижает возможность деформации из-за температурных градиентов.

Более быстрый разогрев заготовки и пека ведет также к сокращению длительности процесса пропитки и карбонизации под давлением.

Размеры частиц порошкового материала не должны быть меньше характерных размеров элементарной ячейки каркаса во избежание проникновения частиц в каркас при проведении процесса.

Так как крышка контейнера находится на противоположной стороне от пека, пек при сварке не испаряется, что позволяет получить качественный шов и исключить возможность вытекания пека в процессе пропитки - карбонизации под давлением, повысить эффективность процесса.

Примеры осуществления способа.

Пример 1.

В контейнер, изготовленный из листовой стали толщиной 1 мм, высотой 400 мм и диаметром 500 мм, заливают слой пека высотой 150 мм (объем пека равен объему открытых пор заготовки). На слой пека сверху устанавливают каркас из углеродного волокна трехмерного плетения диаметром 450 мм и высотой 250 мм, с размером элементарной ячейки каркаса 1,2 мм. Пространство между боковыми поверхностями контейнера и каркаса заполняют графитовым порошком с теплопроводностью 3 Вт/мК и размером частиц 1,5-2 мм. Контейнер закрывают крышкой, герметично заваривают и помещают в аппарат высокого давления, где средой, передающей давление, служит кварцевый песок. Контейнер нагревают до температуры минимальной вязкости пека, затем создают давление. Продолжительность процесса пропитки и карбонизации под давлением составляет 13 ч, из которых 6 ч занимает разогрев и пропитка заготовки пеком при 150^oC и максимальном давлении 25 МПа и 7 ч карбонизация под давлением при максимальной температуре 750^oC и максимальном давлении 100 МПа. Заготовку извлекают из аппарата и графитируют в вакуумной печи при 2800^oC. Процесс повторяют 5 раз. Получают заготовку плотностью 2,01 г/см³.

Пример 2.

Все, как в примере 1,только на слой пека устанавливают стержневой углеволокнистый каркас трехмерного плетения (диаметр стержня 1,2 мм) и карбонизацию проводят при максимальной температуре 700^oC и давлении 80 МПа. Процесс повторяют 5 раз. Получают заготовку плотностью 1,90 г/см³.

Пример 3.

Все, как в примере 1, только на слой пека высотой 60 мм в контейнере высотой 200 мм и диаметром 180 мм устанавливают стержневой углеволокнистый каркас четырехмерного плетения (диаметр стержня 1,2 мм) диаметром 130 мм и высотой 140 мм. Карбонизацию проводят при максимальной температуре 700^oC и максимальном давлении 90 МПа. Процесс повторяют 5 раз. Плотность полученной заготовки 1,95 г/см³.

Предлагаемый способ по сравнению с известными позволяет использовать для первого процесса пропитки и карбонизации под давлением многонаправленный армирующий каркас без предварительного повышения его жесткости и тем самым значительно сократить время, необходимое для получения композиционного материала с плотностью ≈ 2,0 г/см³, а также уменьшить время, затрачиваемое на процесс пропитки и карбонизации под давлением.

Формула изобретения

1. Способ получения углеродного материала, включающий последовательные процессы пропитки заготовки расплавленными углеводородами и карбонизации в герметизированном контейнере в аппарате высокого давления, где в качестве передающей давление среды используют кварцевый песок, извлечения заготовки и ее графитации в вакууме, причем эти процессы повторяют до получения материала с плотностью 1,95 - 2,01 г/см³, отличающийся тем, что углеводороды в виде слоя размещают на дне контейнера, на слое размещают заготовку, при этом пространство между боковыми поверхностями контейнера и заготовки заполняют порошковым материалом, теплопроводность которого превышает теплопроводность расплавленных углеводородов, при этом порошковый материал берут с размерами зерен, которые препятствуют их проникновению в поры заготовки, причем для первого процесса пропитки и карбонизации берут заготовку, выполненную в виде многонаправленного армирующего каркаса из углеродного материала, например из углеродного волокна.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве углеводорода используют пек.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве порошкового материала с теплопроводностью, превышающей теплопроводность углеводорода, используют графитовый порошок.