Способ получения пироуглерода с трехмерно-ориентированной структурой на углеродном изделии


 


Владельцы патента RU 2505620:

Смирнов Александр Николаевич (RU)
Кондратьев Виктор Николаевич (RU)

Изобретение относится к производству углеродных материалов, а именно к технологии получения углеродных материалов осаждением из газовой фазы пироуглерода с трехмерно ориентированной структурой на углеродном изделии, и может быть использовано для восстановления фрикционного износа углеродных изделий. Осуществляют пиролиз газообразных углеводородов и осаждение из газовой фазы на нагретую поверхность углеродного изделия. В качестве углеводородов для пиролиза используют природный газ, осаждение осуществляют при температуре 1200-1300°C, при циклически изменяющемся в диапазоне от 0,1 кг/см2 до 1,05 кг/см2 абсолютном давлении природного газа, при этом время напуска и откачки задают в диапазонах 0,5-5 секунд и 1-10 секунд соответственно. Обеспечивается восстановление фрикционного износа углеродных изделий за счет увеличения толщины осаждаемого покрытия. 1 пр.

 

Изобретение относится к производству углеродных материалов, а именно к технологии получения углеродных материалов осаждением из газовой фазы пиролитического углерода с высокой степенью упорядоченности слоев на поверхности углеродных материалов, и может быть использовано для восстановления фрикционного износа углеродных изделий, например подшипников скольжения или дисков авиационных тормозов, а также для упрочнения поверхности и повышения эрозионной и окислительной стойкости углеродных деталей.

Для нанесения покрытий из пиролитического углерода в мировой практике широко используется изотермический способ осаждения при постоянном давлении природного газа.

Пироуглерод, осажденный на графитовую деталь при температуре 950-1200°C и постоянном давлении природного газа, состоит из поликристаллов с аморфными включениями и имеет невысокую степень упорядоченности структуры. Этот низкотемпературный пироуглерод не отличается достаточным сцеплением с углеродными материалами для того, чтобы использовать его с целью восстановления фрикционного износа углеродных изделий, испытывающих значительные механические напряжения.

Известен способ создания малопроницаемого пироуглеродного покрытия на графитовых цилиндрах предложенный американскими учеными R.L. Beatty and D.V. Kiplinger (pulse inpregnarion of graphite with carbon, Nuclear application and Technology, v.8 1978y. p.488-495. О), включающий пиролиз газообразных углеводородов при пульсирующим давлении. В качестве сырья ими был использован газ 1,4 бутадиен, температура пиролиза 660C°, в реакционной камере создавалось пульсирующее давление с шириной импульса до 10 сек. Известно, что при столь низкой температуре тяжелые углеводороды при пиролизе дают изотропный пироуглерод, который при значительных толщинах имеет склонность к растрескиванию. Поэтому известный способ пригоден лишь к заполнению открытой пористости углеродных образцов.

Кроме того, использование 1,4 бутадиена по сравнению с природным газом, используемым в заявляемом техническом решении является менее рентабельным.

В диапазоне 1200-1800°C пространственная структура пиролитического углерода осажденного при постоянном давлении природного газа еще более турбостратна, чем у низкотемпературного пироуглерода. Структура углерода, осажденного при температурах выше 1800°C и постоянном давлении газообразных углеводородов, постепенно переходит из турбостратной в упорядоченную графитовую. Проявление трехмерной упорядоченности структуры фиксируется обычно при температуре осаждения около 2100°C.

Наиболее близкий к заявляемому изобретению технический результат достигнут в способе осаждения слоев пироуглерода из тетрохлорида углерода (патент 2149215 от 20.05.2000 г. заявка №98113173 приоритет от 13.07.1998 г.),

Известный способ позволяет получать пространственно ориентированный пиролитический углерод по внешнему виду поверхности и размеру сферолитов схожий с пироуглеродом, полученным в заявляемом способе в том же температурном диапазоне пиролиза.

К недостаткам известного способа относятся: сложное аппаратурное оформление, сравнительная дороговизна (по сравнению с природным газом) тетрохлорида углерода, а также то, что на выходе получается коррозионно-активная соляная кислота.

Техническим результатом заявляемого изобретения является восстановление фрикционного износа углеродных изделий путем увеличения толщины осаждаемого покрытия.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе получения пироуглерода с трехмерно ориентированной структурой на углеродном изделии, включающем пиролиз газообразных углеводородов и осаждение из газовой фазы на нагретую поверхность углеродного изделия, согласно заявляемому техническому решению, в качестве углеводородов для пиролиза используют природный газ, осаждение осуществляют при циклически изменяющемся в диапазоне от 0,1 кг/см2 до 1,05 кг/см2 абсолютном давлении природного газа, температуре осаждения 1200-1300°C, при этом время напуска и откачки задают в диапазонах 0,5-5 секунд и 1-10 секунд соответственно.

Заявляемый способ осуществляют следующим образом. Процесс осаждения ведут посредством пиролиза в среде природного газа при циклически изменяющемся абсолютном давлении в диапазоне от 0,1 кг/см2 до 1,05 кг/см2.

В зависимости от требуемых размеров конусов роста и толщины их слоев задают время напуска и откачки в диапазонах 0,5-5 секунд и 1-10 секунд соответственно. Углеродную поверхность нагревают в температурном диапазоне от 1200÷1300°C.

Заявляемый способ позволяет наращивать на поверхность углеродных деталей пиролитический углерод, состоящий из конусов слоистой структуры, причем его слои толщиной 1-5 мкм имеют волнообразное строение и переходят с одного конуса на другой, создавая упорядоченную структуру в трех измерениях.

По сравнению с пироглеродом, осажденном при постоянном давлении до 1200°C, полученный в соответствии с заявляемым способом пиролитический углерод может наращиваться подобно пироуглероду осажденному при температуре выше 1800°C°, до толщины несколько миллиметров, при этом его соединение с деталью остается прочным.

Параметры режима осаждения, реализованные в соответствии с заявляемым способом, приводят к возникновению трехмерно ориентированной структуры пиролитического углерода, состоящего исключительно из вторичных конусов роста. Использование температуры осаждения выше 1200°С приводит к значительному увеличению количества центров кристаллизации на поверхности очередного слоя, что обуславливает межслоевую прочность конусов роста.

В совокупности эти факторы и приводят к возможности наращивания пиролитического углерода с гарантированным сцеплением с подложкой.

Кроме того, при выборе температуры и давления процесса обычно учитывается состав природного газа, а именно соотношение метана к тяжелым углеводородам. В заявляемом способе температура устанавливается на границе образования сажи, что позволяет не учитывать состав природного газа, который зависит от его месторождения, так как в газовой сети состав не контролируется и поэтому является смесью от различных месторождений.

При осаждении используется только начальная часть времени газового импульса, во время которого и происходит гетерогенное осаждение. Вклад остальной части времени импульса незначителен ввиду того, что момент сброса давления выбирается так чтобы ограничить концентрацию жидких продуктов пиролиза в виде взвешенных частиц вблизи нагретой поверхности. Тем самым и достигается устранение влияния гомогенного осаждения пиролитического углерода на его конечную структуру.

В результате: пиролитический углерод, осажденный по заявляемому способу, состоит исключительно из сросшихся конусов роста с диаметром 10÷25 µкм с преобладающей вторичной конусностью.

Нижний предел температуры 1200C° обусловлен тем, что при более низкой температуре процесс осаждения пиролитического углерода при указанных временах напуска и откачки резко замедляется или не идет вообще.

Верхний предел температуры 1300C° осаждения обусловлен тем, что выше указанного предела сужением времени напуска становится невозможным предотвратить осаждение изотропного бесструктурного пиролитического углерода.

Верхний предел времени напуска 5 секунд обусловлен тем что, дальнейшее увеличение этого параметра приводит к возникновению сажеобразования.

Нижний предел времени напуска 0,5 сек. обусловлен тем, что процесс осаждения пиролитического углерода за этим пределом резко замедляется.

Нижний предел времени откачки 10 сек. обусловлен снижением производительности процесса, так как глубина откачки не влияет на качество осаждаемого пироуглерода, а время этой части значительно увеличивает время цикла и соответственно снижает его производительность.

Верхний предел времени откачки 1 сек связан с достижением необходимого разряжения в камере, которое выбирают из необходимой толщины слоев конусов роста. В данном процессе понижение давления ниже 0,1 кг/см2 приводит к сильному замедлению осаждения, повышение давления выше 1,05 кг/см2 нецелесообразно из-за того, что выше этого предела по «Правилам безопасности систем газораспределения и потребления» оборудование будет относиться к среднему классу давления, что неоправданно усложнит требования к оборудованию, его конструированию и эксплуатации.

Пример:

Партия графитовых подшипников крейцкопфа кислородного насоса была восстановлена до диаметра 80 мм путем наращивания пироуглерода на поверхность. Параметры процесса составили температура 1250C°, время откачки 5 сек, время напуска1 сек, давление напуска 1,02 кг/см2, давление откачки 0,3 кг/см2, среда - природный газ. Время процесса 7 часов. Толщина осажденного пироуглерода 0,2 мм.

Заявляемое техническое решение позволяет получить новые свойства осажденного пироуглерода, а именно его способность сращиваться с углеродной поверхностью подложки при этом слои ориентированы волнообразно, что снижает анизотропию и, в свою очередь, дает возможность многократно увеличить толщину осаждаемого покрытия и восстановить фрикционный износ углеродных изделий.

Способ получения пироуглерода с трехмерно-ориентированной структурой на углеродном изделии, включающий пиролиз газообразных углеводородов и осаждение из газовой фазы на нагретую поверхность углеродного изделия, отличающийся тем, что в качестве углеводородов для пиролиза используют природный газ, осаждение осуществляют при циклически изменяющемся в диапазоне от 0,1 кг/см2 до 1,05 кг/см2 абсолютном давлении природного газа, температуре осаждения 1200-1300°C, при этом время напуска и откачки задают в диапазонах 0,5-5 с и 1-10 с соответственно.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к композитному покрытию из металла и углеродных нанотрубок (CNT) и/или фуллерена на металлических лентах или заранее отштампованных металлических лентах, а также к способу получения металлической ленты.

Изобретение относится к установке и способу плазменной вакуумной обработки. .

Изобретение относится к нанотехнологиям и может быть использовано для создания покрытий из наноалмазов, фуллеренов и углеродных нанотрубок, работающих в экстремальных условиях.

Изобретение относится к области материаловедения и может быть применено для защиты изделий из органических материалов - таких как органические стекла, оптические линзы, солнечные преобразователи, концентраторы излучения.

Изобретение относится к уплотнению пористых субстратов пиролитическим углеродом способом химической инфильтрации с использованием установки для осуществления этого способа.

Изобретение относится к устройствам для производства углеродных нанотрубок. .

Изобретение относится к микроструктурным технологиям, а именно к нанотехнологии, в частности к способу получения волокнистых углеродных наноматериалов, состоящих из углеродных нанотрубок, методом химического осаждения из газовой фазы.

Изобретение относится к способу контроля или моделирования процесса уплотнения по меньшей мере одного пористого субстрата пиролитическим углеродом путем химической инфильтрации газовой фазой, в соответствии с которым помещают в печь партию из одного или более субстратов, подлежащих уплотнению, нагревают указанный субстрат, подают в печь реакционный газ, содержащий по меньшей мере один углеводород, являющийся источником углерода, устанавливают в печи давление, при котором реакционный газ способен диффундировать в поры нагретого субстрата с образованием в них осадка пиролитического углерода, и выпускают из печи отработанный газ через выпускную трубу, соединенную с выходным отверстием печи.

Изобретение относится к устройству для изготовления пластмассовой тары, покрытой алмазоподобной углеродной пленкой. .

Изобретение относится к области высоковольтной техники, к силовым полупроводниковым устройствам и, в частности, к способу и устройству для одностадийного двустороннего нанесения слоя покрытия из аморфного гидрогенизированного углерода на поверхность кремниевой пластины, а также к держателю подложки для поддержки кремниевой пластины. Используют кремниевую пластину (4), содержащую первую большую сторону с первым скосом по кромке первой большой стороны и вторую большую сторону с центральным участком и вторым скосом по кромке второй большой стороны, окружающей центральный участок, причем вторая большая сторона противоположна первой большой стороне, помещают кремниевую пластину (4) на опору (31) для подложки держателя (3) подложки, причем опору (31) для подложки выполняют с возможностью обеспечения контакта лишь центрального участка второй большой стороны пластины (4) с опорой (31) для подложки. Затем помещают держатель подложки с пластиной (4) в реакционную камеру (8) плазменного реактора, в которой на первый и второй скосы одновременно воздействуют плазмой (6), для получения осажденного слоя (7) из аморфного гидрогенизированного углерода. Обеспечивается возможность одностадийного двухстороннего нанесения пассивирующего слоя, обеспечивающего электрическую неактивность участка полупроводниковой пластины. 3 н. и 14 з.п. ф-лы, 5 ил.
Изобретение относится к области получения графитовых материалов и может быть использовано в химической технологии, атомной и электронной технике. Осуществляют осаждение пироуглерода на топливные частицы путем подачи в зону осаждения смеси углеводорода и инертного газа в течение времени τ, увеличения суммарного расхода газовой смеси в 1,1-1,4 раза по сравнению с исходным значением. В момент времени, равный τх=(0,45τ-0,55τ), подачу углеводорода прекращают на 1-3 с, а для обеспечения оптимального режима псевдоожижения топливных частиц увеличивают расход инертного газа на величину, равную произведению расхода углеводорода в момент времени τх и отношения молекулярных масс углеводорода и инертного газа. Обеспечивается снижение коэффициента анизотропии осажденного из пироуглерода покрытия. 4 пр.

Изобретение относится к области получения пироуглеродных и карбидных покрытий в псевдоожиженном слое (ПС) частиц полифракционного состава, изменяющегося в процессе осаждения покрытий, и может быть использовано в атомной и электронной технике. Устройство для осаждения покрытий в ПС содержит химический реактор и систему подачи в него ожижающего газа. Химический реактор выполнен в виде прямого параллелепипеда с закругленными ребрами и основанием в виде прямоугольника. Одна боковая грань реактора имеет форму квадрата, а другая боковая грань - форму прямоугольника, площадь которого равна площади основания. Соотношение между площадями боковых граней составляет 1:(1,8-2), а прямоугольные грани в местах пересечения диагоналей снабжены выпуклостями. Обеспечивается повышение стабильности совокупности частиц в химическом реакторе и, тем самым, предотвращается унос частиц, на которые наносится покрытие. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к мезопористому композитному материалу "углерод на оксиде алюминия" C/Al2O3 для использования в качестве сорбента или носителя для катализатора. Данный материал характеризуется тем, что равномерный, непрерывный и плотный слой пиролитического углерода имеет толщину углеродного покрытия, близкую к монослойному покрытию, равную 0,4-0,5 нм, плотность осажденного углеродного покрытия, равную ρС=2.0-2.1 г/см3, удельную поверхность SБЭТ=90-200 м2/г, суммарный объем пор ΣVпор≤0,4 см3/г, средний размер пор DБЭТ≤10 нм, наиболее вероятный размер пор DBJH=5-7 нм при отсутствии микропор. Изобретение также относится к способу изготовления такого мезопористого композитного материала. Предлагаемый мезопористый композитный материал имеет высококачественное тонкое углеродное покрытие, которое полностью и раномерно покрывает внешнюю поверхность и стенки пор гранулированного γ-Al2O3. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил., 3 табл., 10 пр.

Изобретение относится к металлургии получения особо чистых материалов и может быть использовано при получении защитного покрытия карбида кремния на кварцевом изделии осаждением из газовой фазы на нагретую поверхность, применяемого для технологической оснастки в процессах получения особо чистых элементов и веществ. Проводят очистку упомянутого изделия и метана. При достижении температуры нагрева упомянутого изделия 950-1250°C через реактор с кварцевым изделием продувают инертный газ, а затем метан до получения требуемой толщины покрытия. Затем образовавшиеся продукты разложения и непрореагировавшие вещества удаляют из реактора. Упрощается процесс нанесения защитного покрытия из карбида кремния. 1 ил., 2 пр.

Изобретение относится к технологиям получения массивов углеродных нанотрубок на поверхности подложки. В реакционной камере формируют поток рабочего газа, содержащего несущий газ, газообразный углеводород и предшественник катализатора для синтеза углеродных нанотрубок. Поток рабочего газа направляют на поверхность подложки со скоростью 100-1000 м/с. Вдоль потока рабочего газа направляют инфракрасное импульсное лазерное излучение с частотой импульсов 5-100 кГц и энергией импульсов 0,05-0,5 Дж для его активации и локального нагрева поверхности подложки до 600-1000°C. Упомянутую реакционную камеру перемещают над поверхностью подложки. В частном случае осуществления изобретения на поверхность подложки дополнительно направляют поток инертного газа, экранирующий зону синтеза углеродных нанотрубок от воздуха, при его давлении, превышающем давление потока рабочего газа. Обеспечивается получение массивов ориентированных углеродных нанотрубок на подложках, имеющих поверхности большой площади - до нескольких квадратных метров. 1 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 пр.

Изобретение относится к элементу скольжения, используемому в двигателе внутреннего сгорания, имеющему по меньшей мере на одной поверхности износоустойчивое покрытие. Износоустойчивое покрытие содержит изнутри в направлении наружу адгезионный слой (10), металлосодержащий а-С:Н:Ме DLC-слой (12) и свободный от металла а-С:Н DLC-слой (14, 16), где а-С - аморфный углерод, Н - водород, Me - металл, причем свободный от металла DLC-слой по меньшей мере на отдельных участках легирован азотом. Содержание азота в свободном от металла DLC-слое градуировано с образованием перехода от легированного участка к нелегированному участку и превышает 5 ат.% и/или максимально составляет 40 ат.%. Обеспечивается элемент скольжения, который усовершенствован в отношении сочетания коэффициентов трения и свойств, обеспечивающих износоустойчивость. 15 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 пр.
Наверх