Армирующий каркас углерод-углеродного композиционного материала



Армирующий каркас углерод-углеродного композиционного материала
Армирующий каркас углерод-углеродного композиционного материала
Армирующий каркас углерод-углеродного композиционного материала
Армирующий каркас углерод-углеродного композиционного материала
Армирующий каркас углерод-углеродного композиционного материала
Армирующий каркас углерод-углеродного композиционного материала

 


Владельцы патента RU 2498962:

Открытое акционерное общество "Государственный ракетный центр имени академика В.П. Макеева" (RU)

Изобретение относится к эрозионностойким теплозащитным композиционным материалам и может быть использовано для создания деталей защиты поверхностей гиперзвуковых спускаемых аппаратов (ГСА). Армирующий каркас углерод-углеродного композиционного материала (УУКМ) выполнен в виде четырехнаправленной пространственной структуры с гексагональной трансверсально-изотропной укладкой армирующих элементов. В качестве армирующих элементов использованы нити углеродные трощеные. Укладка трансверсальных слоев выполнена нитью (7) линейной плотностью γt=(300÷420) текс, а гексагональная укладка выполнена нитью (8) линейной плотностью γg=(3÷4)·γt. Расстояние между ближайшими армирующими элементами в каждом трансверсальном слое составляет величину, равную толщине нити линейной плотностью γg, а расстояние между трансверсальными слоями одинакового направления составляет величину, равную 2δ, где δ - толщина нити линейной плотностью γt. Технический результат заключается в повышении плотности армирующего каркаса и улучшении эксплуатационных характеристик УУКМ. 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 5 ил.

 

Изобретение относится к эрозионностойким теплозащитным композиционным материалам и может быть использовано для создания деталей защиты поверхностей гиперзвуковых спускаемых аппаратов (ГСА).

Наиболее эффективную тепловую защиту ГСА с точки зрения прочности, минимального изменения форм и теплозащитных качеств обеспечивают углерод-углеродные композиционные материалы (УУКМ). Эти материалы состоят из армирующего каркаса, имеющего, как правило, сложную пространственную структуру, и углеродной матрицы. В качестве армирующих элементов используют углепластиковые стержни или жгуты из углеродных нитей.

В настоящее время известен армирующий каркас УУКМ, способ получения которого описан в патенте №2090497 с приоритетом от 20.02.1995 г. Данный каркас представляет собой цилиндрической формы пучок углепластиковых стержней, плотно обмотанных углеродным волокном. Недостаток этого каркаса -низкие значения прочности и жесткости в трансверсальном (перпендикулярном углепластиковым стержням) направлении.

Известен армирующий каркас УУКМ марки КИМФ (технические условия ТУ 92-932-2-31-81). Каркас материала КИМФ выполнен в виде объемной ортогональной структуры, получаемой методом плетения углеродной нитью.

Недостатки данного каркаса:

1. Грубая структура каркаса, обусловленная его схемой укладки по осям x:y:z, равной 2:2:1 из углеродной нити линейной плотностью 390 текс (размер элементарной ячейки 3:3:1,5 мм соответственно) приводит к высокой шероховатости поверхности материала из-за того, что армирующие элементы каркаса и матрица уносятся набегающим потоком неодинаково. Повышенная шероховатость поверхности приводит к раннему переходу от ламинарного к турбулентному режиму обтекания в пограничном слое, следовательно, к повышенной скорости уноса материала

2. Неосесимметричная структура и низкая плотность каркаса (γ=0,46÷0,50 г/см3) приводят к анизотропии прочностных и эрозионных характеристик УУКМ, к асимметрии обгарной поверхности материала при эксплуатации, а, следовательно, к повышенному разбросу аэродинамических характеристик ГСА.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является каркас УУКМ марки 4КМС-Л (технические условия 208.571.001 ТУ).

Каркас материала 4КМС-Л представляет собой объемную четырехнаправленную структуру, собранную из углепластиковых стержней на основе углеродной нити и поливинилового спирта в виде гексагональной трансверсально-изотропной укладки. В данном случае термин «изотропная» характеризует только осесимметричность структуры каркаса, в которой стержни каждого из трех трансверсальных направлений расположены под одинаковым друг к другу углом α=120° (см. Пространственно-армированные композиционные материалы: Справочник / Ю.М. Тарнопольский, И.Г. Жигун, В.А. Поляков - М.: Машиностроение, 1987, с.20-21) Изотропность укладки стержней уменьшает анизотропию свойств УУКМ в трансверсальном направлении. Однако технология стержневой сборки каркаса ограничивает возможность создания тонких структур, так как уменьшение диаметра стержней ниже определенного значения приводит к снижению качества каркаса, а именно, происходит отклонение стержней от прямолинейности из-за уменьшения их жесткости, повышается их травмируемость. Кроме того, значительно увеличивается трудоемкость изготовления каркаса.

Для материала 4КМС-Л оптимальный диаметр стержней каркаса составляет 1,17 мм. Использование стержней такой толщины «угрубляет» структуру каркаса: такой каркас имеет низкую плотность, которая, в свою очередь, приводит к повышенному разбросу значений плотности УУКМ по объему, увеличению шероховатости поверхности материала и, как следствие, ухудшению аэродинамических свойств ГСА. Кроме того, плотность каркаса материала 4КМС-Л снижается при его термообработке в процессе изготовления УУКМ, т.к. содержание поливинилового спирта в материале стержней составляет ~10% об.

Задачей, на решение которой направлено предполагаемое изобретение, является повышение плотности армирующего каркаса и улучшение эксплуатационных характеристик УУКМ.

Поставленная задача решается тем, что:

1. В качестве армирующих элементов каркаса использованы нити углеродные трощеные.

2. Укладка трансверсальных слоев каркаса выполнена нитью линейной плотностью γt=(300÷420) текс, а гексагональная укладка выполнена нитью линейной плотностью γg=(3÷4)·γt.

3. Расстояние между ближайшими армирующими элементами в каждом трансверсальном слое составляет величину, равную толщине нити линейной плотностью γg, а расстояние между трансверсальными слоями одинакового направления составляет величину, равную 2δ, где δ - толщина нити линейной плотностью γt.

4. Укладка каждого трансверсального слоя выполнена непрерывной нитью с образованием петель, вплотную охватывающих крайние нити гексагональной укладки.

Решение поставленной задачи, как следует из изложенного, направлено на «измельчение» четырехнаправленной пространственной структуры каркаса, т.е. на применение углеродной нити с минимальным значением толщины и на максимальное наполнение ею структуры каркаса.

Указанные параметры зависят от технологии изготовления каркаса, которая основана на плетении нитью. Процесс плетения предполагает использование трощеной нити и осуществляется с помощью технологической оснастки представляющей собой гексагонально расположенный набор стальных стержней 1 (см. Фиг.1) жестко закрепленных между двумя металлическими основаниями 2. Каждый стержень на одном конце имеет отверстие 3 для создания петли углеродной нити.

Диаметр стальных стержней D определен как минимальный диаметр, при котором их жесткость при длине 250÷300 мм обеспечивает прямолинейность стержней при протягивании углеродной нити между их рядами. Экспериментально установлено оптимальное значение диаметра D, которое составляет 0,8÷1,0 (мм).

Расстояние между параллельными рядами стальных стержней a, b, c и толщина нити определялись, исходя из необходимости выполнения следующих требований:

- расстояние a, b, c должно быть минимально;

- необходимо исключить травмирование нити при ее протягивании между рядами стержней;

- необходимо исключить травмирование нити при уплотнении рапирой в поперечном направлении;

- нить должна полностью заполнять пространство между рядами a, b, c;

- прочность нити должна быть достаточна для сохранения ее целостности при огибании стальных стержней.

Исходя из того, что значения плотности углеродных филаментов различных марок высокомодульных углеродных нитей практически одинаковы, в качестве характеристики толщины нити, была использована ее линейная плотность.

Вышеуказанные требования в наибольшей степени выполняются при следующих значениях:

1. Расстояние a=b=c=(0,8÷1,0) мм;

2. Линейная плотность углеродной нити для протягивания между рядами a=b=c γt=(300÷420) текс.

Плетение каркаса начинают с одного из направлений, например, направления 4 (см. Фиг.2) и проводят в следующей последовательности:

- вставляют рапиру в ряд между стальными стержнями 1 направления 4;

- на конец рапиры накидывают петлю из углеродной нити линейной плотностью;

- протягивают углеродную нить, огибают ею крайний металлический стержень, образуя петлю, и вставляют рапиру в соседний ряд между стержнями;

- протягивают нить в обратном направлении;

- повторяют указанные операции до заполнения всего слоя направления 4;

- уплотняют рапирой сплетенный слой, вставляя ее в ряды между стержнями в поперечном направлении 5 или 6;

- концы нити закрепляют на дополнительных краевых стержнях;

- повторяют последовательно перечисленные операции для направлений 5 и 6. В результате выполнения всех указанных действий формируются слои трансверсально-изотропной укладки 7(см. Фиг.3 и Фиг.4).

После формирования пакета трансверсальных слоев каркаса основания технологической оснастки демонтируют. В отверстие стального стержня протягивают углеродную нить, образуя петлю. Стержень вытягивают с противоположной стороны заготовки каркаса, протягивая за собой нить. Повторяя эту операцию, все стальные стержни последовательно заменяют на углеродную нить, формируя тем самым армирующие элементы 8 гексагональной укладки и завершая изготовление каркаса в целом (см. Фиг.3 и Фиг.4). Экспериментально установлено, что максимальная толщина углеродной нити, которую можно разместить на месте стального стержня с минимальным травмированием филаментов, соответствует линейной плотности γg=4÷420=1680 текс, т.е. γg=4·γt.

Снижение линейной плотности используемой нити ниже значения γg=3·γt нецелесообразно вследствие «разрыхления» структуры каркаса.

На Фиг.3 показана условная структура заявляемого каркаса в направлении гексагональной укладки, на Фиг.4 - в направлении трансверсальных слоев.

Применение углеродной нити с указанными ранее значениями линейной плотности совместно с описанной технологией обеспечивает изготовление каркаса в виде четырехнаправленной пространтсвенной структуры со следующими геометрическими параметрами:

- расстояние Н между ближайшими армирующими элементами в трансверсальных слоях равно толщине D нити гексагональной укладки (см. Фиг.3);

- расстояние h между трансверсальными слоями одинакового направления равно удвоенной толщине δ нити трансверсальной укладки (см. Фиг.4).

На основе заявляемого каркаса был изготовлен углерод-углеродный композиционный материал. Изготовление УУКМ проводили методом многократно повторяющейся пропитки под давлением каркасов каменноугольным пеком с последующими циклами высокотемпературной карбонизации и графитизации. На Фиг.5 представлена фотография структуры УУКМ в направлении трансверсальных слоев на основе предлагаемого каркаса а и на основе прототипа б. На фотографиях отчетливо видна более мелкая структура материала на основе предлагаемого каркаса.

В таблице 1 приведены примеры изготовленных с различными углеродными нитями каркасов и УУКМ на их основе, а также их характеристики.

Как видно из таблицы 1, все значения характеристик заявляемого армирующего каркаса и УУКМ на его основе превосходят соответствующие значения прототипа и материала на его основе.

1. Армирующий каркас углерод-углеродного композиционного материала, выполненный в виде четырехнаправленной пространственной структуры с гексагональной трансверсально-изотропной укладкой армирующих элементов из трощеных углеродных нитей, отличающийся тем, что укладка трансверсальных слоев выполнена из нити линейной плотностью γt=(300÷420) текс, а гексагональная укладка выполнена из нити линейной плотностью γg=(3÷4)·γt, при этом расстояние между ближайшими армирующими элементами в каждом трансверсальном слое составляет величину, равную толщине нити линейной плотностью γg, а расстояние между трансверсальными слоями одинакового направления составляет величину, равную 2δ, где δ - толщина нити линейной плотностью γt.

2. Армирующий каркас по п.1, отличающийся тем, что укладка каждого трансверсального слоя выполнена непрерывной нитью с образованием петель, вплотную охватывающих крайние нити гексагональной укладки.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области изделий из композиционных материалов. В соответствии с заявленным способом на углеродную заготовку наносят гальваническое покрытие из карбидообразующего металла или сплава металлов и выполняют термообработку в вакууме или защитной газовой среде с карбидизацией гальванического покрытия.
Изобретение относится к области конструкционных материалов, работающих в условиях высокого теплового нагружения и окислительной среды, и может быть использовано в химико-металлургической промышленности для создания изделий и элементов конструкций, подвергающихся воздействию агрессивных сред.

Изобретение может быть использовано при получении конструкционных материалов, работающих в условиях высокого теплового нагружения и окислительной среды, для химической, нефтехимической, химико-металлургической промышленности и авиатехники.

Изобретение может быть использовано в химической, нефтехимической и химико-металлургической отраслях промышленности, а также в авиатехнике для изготовления конструкционных материалов, подвергающихся воздействию агрессивных сред и механическим нагрузкам.

Изобретение может быть использовано в химической, нефтехимической и химико-металлургической отраслях промышленности, а также в авиатехнике для получения конструкционных материалов, работающих в условиях высокого теплового нагружения и окислительной среды.

Изобретение может быть использовано в химической промышленности и в электротехнике. Во внутренней полости емкости 3 размещают водяную суспензию, содержащую, об.%: частицы кокса 4 с размерами 1-8 мкм - 50-70%; остальное - вода.
Изобретение относится к получению сверхтвердого композиционного материала на основе углерода, который может быть использован для изготовления инструментов для горнодобывающей, камнеобрабатывающей и металлообрабатывающей промышленности.
Изобретение относится к технологии получения изделий из мелкозернистого графита, используемого для производства углеродных и углеродсодержащих материалов, а также в качестве конструкционного материала для изделий различного назначения, в том числе работающих в условиях высоких температур, нейтронного облучения, эрозии, агрессивных сред и режимного трения.
Изобретение относится к технологии создания эрозионностойких углерод-углеродных композиционных материалов (УУКМ) и может быть использовано для изготовления элементов защиты поверхностей гиперзвуковых спускаемых аппаратов.

Изобретение относится к конструкционным материалам, работающим в условиях высокого теплового нагружения и окислительной среды, которые могут быть использованы в химической, нефтехимической, металлургической промышленности и авиатехнике.

Изобретение может быть использовано при изготовлении высокопрочных комплексных углеродных нитей и композиционных материалов для авто- и/или авиастроения. Углеродсодержащий компонент, активатор и прекурсор катализатора роста углеродных нанотрубок вводят в поток газа-носителя через средство для их ввода с образованием смеси.

Изобретение может быть использовано при изготовлении модификаторов эпоксидных композитов, микробицидов с анти-ВИЧ активностью, не проявляющих цитотоксичности, антиоксидантных добавок в косметические средства.

Изобретение может быть использовано при изготовлении материалов для электронной техники, присадок для ракетных топлив, катализаторов, смазочных масел и полимерных покрытий.
Изобретение относится к химической промышленности. Фуллеренсодержащую сажу смешивают с жидкостью, взаимодействующей с находящимися в саже фуллеренами, например, с водным раствором щелочи концентрацией не менее 0,5 мас.%, из ряда, включающего КОН, NaOH, Ва(ОН)2 и/или с перекисью водорода Н2О2, при соотношении к саже 1:(20-300) мл/г.
Изобретение может быть использовано при получении модифицирующих добавок для строительных материалов. Дисперсия углеродных нанотрубок содержит, мас.%: углеродные нанотрубки 1-20; поверхностно-активное вещество - натриевую соль сульфинированного производного нафталина 1-20; аэросил 5-15; вода - остальное.
Изобретение может быть использовано в строительстве для армирования бетонных, кирпичных и каменных конструкций. Композиция содержит стеклянный или базальтовый ровинг в количестве 90÷100 вес.ч., пропитанный полимерным связующим на основе эпоксидно-диановой смолы в количестве 18÷20 в.ч.

Группа изобретений может быть использована в химической промышленности. В реактор, содержащий корпус 1, на внешней стороне которого расположены нагревательные элементы 2 и теплоизоляция, загружают твердый дисперсный катализатор.

Изобретение относится к области неорганической химии, а именно к способу выделения одностенных углеродных нанотруб (ОУНТ) из продуктов синтеза. .

Изобретение относится к технологии углеродных материалов, конкретно - к технологии получения углеродных наноматериалов, в частности нанотрубок и нановолокон, методом химического осаждения из газовой фазы.

Изобретение относится к области нанотехнологий и может быть использовано для получения нанотрубок и фуллеренов. .

Изобретение может быть использовано в электрохимических и электрофизических устройствах. Осуществляют анодную гальваностатическую поляризацию титана или циркония с плотностью тока от 0,1 до 3,0 мА·см-2 в расплаве хлоридов щелочных металлов, содержащем от 0,1 до 1,0 мас.% порошка карбида бора при температуре 843-873 К в атмосфере аргона. Технический результат - упрощение получения бездефектных однослойных и многослойных пленок графена большой площади при повышении выхода однослойного графена. 3 ил., 1 табл.
Наверх