Способ получения углеродного материала многонаправленного армирующего каркаса из углеродного волокна



Способ получения углеродного материала многонаправленного армирующего каркаса из углеродного волокна
Способ получения углеродного материала многонаправленного армирующего каркаса из углеродного волокна
Способ получения углеродного материала многонаправленного армирующего каркаса из углеродного волокна
Способ получения углеродного материала многонаправленного армирующего каркаса из углеродного волокна
Способ получения углеродного материала многонаправленного армирующего каркаса из углеродного волокна
Способ получения углеродного материала многонаправленного армирующего каркаса из углеродного волокна
Способ получения углеродного материала многонаправленного армирующего каркаса из углеродного волокна
Способ получения углеродного материала многонаправленного армирующего каркаса из углеродного волокна

 


Владельцы патента RU 2534878:

Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт конструкционных материалов на основе графита "НИИграфит" (RU)

Изобретение относится к области производства углерод-углеродных композиционных материалов (УУКМ) на основе объемно армированных каркасов из высокомодульного волокна и матрицы, произведенной из пеков или смол в процессе карбонизации и последующих высокотемпературных обработок. Технический результат изобретения - производство УУКМ, обладающих высокой кажущейся плотностью и увеличенным уровнем коэффициента теплопроводности (130-140 Вт/м·К), при наименьших затратах. Способ получения УУКМ включает последовательные процессы пропитки волокнистой 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. Для пропитки и карбонизации в герметизированном контейнере заготовку помещают в специальное приспособление, состоящее из двух одинаковых частей, нижней и верхней, каждая из которых выполнена из металлического кольца и графитовых пластин, размещенных внахлест вертикально диаметрально к сварному шву контейнера и металлическому кольцу, при этом свободное пространство контейнера засыпают углеводородами. Графитацию в вакууме проводят в пять этапов с понижением температуры от первого этапа к последнему: на первом этапе температура не более 2700°C, на втором этапе не более 2100°C, на третьем этапе не более 1700°C, на четвертом этапе не более 1300°C, на пятом этапе не более 800°C. 7 табл., 5 пр.

 

Изобретение относится к области создания и производства углеродных материалов с высокой кажущейся плотностью и с высоким уровнем коэффициента теплопроводности, в частности углерод-углеродных композиционных материалов на основе объемно армированных каркасов из высокомодульного волокна (n=2, 3, 4…) и углеродной матрицы, произведенной из пеков или смол в процессе карбонизации и последующих высокотемпературных обработок.

Существует несколько способов создания объемно армированных углерод-углеродных композиционных материалов с кажущейся плотностью 1,95-2,01 г/см3:

Известен способ получения углерод-углеродных композиционных материалов (УУКМ) при помощи необходимого числа циклов пропитки и карбонизации под давлением [1]. Первый этап данного способа предварительно повышает жесткость каркаса путем проведения нескольких циклов трансферной пропитки в автоклаве. Вторым этапом является карбонизация при нормальном давлении. И третьим этапом является графитация, по итогам которой нет взаимодействия на границе «стержень - углеродная матрица». Полученная заготовка отличается жесткостью, достаточной для дальнейшего процесса основного уплотнения с применением пропитки - карбонизации под давлением. Данный процесс пропитки, карбонизации под давлением, осуществляют в газостатах. Средой, передающей давление и тепловую энергию в газостате, является инертный газ. После высокотемпературной обработки - графитации - значительно уменьшилась нормальная прочность, увеличилось поверхностное электросопротивление и уменьшились показатели динамического модуля упругости.

Существенным недостатком данного способа является то, что цикл предварительного повышения жесткости каркаса, карбонизации, требуют специального оборудования, такого как автоклав, и специализированных печей карбонизации при атмосферном давлении. Также пропитка и карбонизация в газостате требуют значительных затрат на изготовление самого газостата, его обслуживание, строительство взрывозащищеного помещения, в котором будет установлен газостат. Также существенным недостатком является высокая стоимость инертного газа. Кроме того, данный способ не позволяет получать УУКМ с высоким уровнем коэффициента теплопроводности.

Известен способ получения углеродного материала 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 [2]. 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.

Существенным недостатком данного способа является то, что производимый материал имеет ограниченные теплофизические характеристики (теплопроводность 45-50 Вт/м·к) и механические характеристики (предел прочности при растяжении 85-95 Мпа).

Задачей предлагаемого способа является производство УУКМ на основе объемно армированных каркасов из высокомодульного волокна (n=2, 3, 4…) с высокой кажущейся плотностью (1,95-2,01 г/см3) и увеличением уровня коэффициента теплопроводности (130-140 Вт/м·к) при наименьших трудовых и временных затратах.

Выполнение поставленной задачи достигается тем, что в способе получения углерод-углеродного материала на основе многонаправленной армирующей заготовки, включающем последовательные процессы пропитки заготовки расплавленными углеводородами и карбонизации в герметизированном контейнере, с размещенными углеводородами в виде слоя на дне контейнера, 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, причем в процессе пропитки и карбонизации в герметизированном контейнере заготовку помещают в специальное приспособление, а графитацию в вакууме проводят в пять этапов с понижением температуры от первого этапа к последнему. Температура графитации в вакууме на первом этапе не более 2700°C, на втором этапе не более 2100°C, на третьем этапе не более 1700°C, на четвертом этапе не более 1300°C, на пятом этапе не более 800°C. Специальное приспособление в герметическом контейнере для пропитки и карбонизации заготовок состоит из двух одинаковых частей - нижней и верхней, каждая из которых выполнена из металлических колец, отстоящих от стенки контейнера на расстояние не менее 5 мм и графитовых пластин, размещенных внахлест диаметрально вертикально к сварному шву контейнера и металлическим кольцам, при этом расстояние между графитовыми пластинами и заготовкой составляет не менее 5 мм, это расстояние засыпают углеводородами.

Приспособление, показанное на фиг.1, в которое помещают заготовки, существенно сокращает время загрузки и выгрузки заготовок из контейнера на этапах пропитки заготовок расплавленными углеводородами и карбонизации в контейнере. Так как контейнер, в котором производится процесс пропитки и карбонизации под давлением, круглый, приспособление состоит из двух металлических колец (2). В качестве металла используют нержавеющую сталь марки «сталь 3», это связано с высокой температурой плавления этого типа стали. Расстояние между контейнером (1) и металлическим кольцом составляет не менее 5 мм. Между металлическими кольцами внахлест диаметрально к сварному шву располагают две графитовые пластины (4). Расстояние между графитовыми пластинами и заготовками (3) составляет не менее 5 мм, это расстояние засыпают углеводородами (пеком). Задачей графитовых пластин является разделение двух заготовок на момент загрузки. В процессе проведения пропитки и карбонизации под давлением в связи с хрупкостью графита эти пластины разрушаются под давлением металлических колец, тем самым не мешая прессу создавать «вертикальное» давление внутри контейнера и проникать расплавленным углеводородам в заготовки. При разрушении графитовых пластин от обломков создается «горизонтальное» давление между заготовками, которое позволяет расплавленным углеводородам (пеку) максимально проникать в них. Металлические кольца и графитовые пластины друг с другом не скрепляются. Это облегчает процесс выгрузки заготовок из контейнера после проведения процесса. Контейнер герметизируют при помощи сварки крышки и корпуса контейнера. Далее контейнер 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 1,85 г/см3.

Затем производят графитацию заготовки из углерод-углеродного композиционного материала (УУКМ) в нормальной (прямой) электрической однофазной печи сопротивления прямого нагрева. Процесс графитации происходит ступенчато, в пять этапов, длительное время. После выхода на заданную температуру производится длительная выдержка. Итогом является заготовка с плотностью 1,95-2,01 г/см3 и с высоким уровнем коэффициента теплопроводности (130-140 Вт/м·к). В полученном материале восстановлена нормальная прочность и значительно уменьшен показатель поверхностного электросопротивления.

Изменение температуры графитации по этапам является технологическим фактором, влияющим на совершенствование структуры УУКМ. УУКМ состоит из двух компонентов: углеродный наполнитель (волокно) и углеродная матрица.

Рентгенофазовые характеристики (межплоскостное расстояние d002, степень графитации g, размер кристаллитов La и Lc) определяли для каждого из компонентов композита. Анализ проводили на порошковом дифрактометре D8 Advance фирмы «Bruker». Обработка данных проводилась с помощью программы TOPAS.

На стадии I видно, как с увеличением температуры обработки повышаются показатели рентгеноструктурных характеристик УУКМ, таблица 1.

На стадии II видно как при одинаковой температуре в примерах 1-4 показатели рентгеноструктурных характеристик становятся приблизительно одного уровня. В случае примера 5 с увеличением температуры обработки в значительной мере повышаются показатели рентгеноструктурных характеристик относительно стадии I, таблица 2.

На стадии III в примерах 1-4 значительных изменений рентгеноструктурных характеристик не произошло, это связано с понижением температуры обработки УУКМ. Как видно из примера 5, произошел большой скачок рентгеноструктурных характеристик, В материале с низкой степенью графитации при высокой температуре обработки происходит более эффективное совершенствование структуры материала, прографитировались оба компонента в УУКМ - углеродный наполнитель (волокно) и матрица, таблица 3.

На стадии IV в связи с понижением температуры обработки структура материала практически не меняется по сравнению со стадией III, рентгеноструктурные характеристики изменяются незначительно таблица 4.

На стадии V в связи с понижением температуры обработки структура материала практически не меняется по сравнению со стадией IV, рентгеноструктурные характеристики изменяются незначительно, таблица 5.

Примеры конкретного выполнения осуществляются на стандартном оборудовании [3].

Примеры конкретного выполнения.

Пример 1

Заготовка выполнена в виде многонаправленного армирующего каркаса из углеродного волокна, как и в прототипе.

Процесс пропитки заготовки стандартными расплавленным углеводородами (в качестве углеводородов используют пек) и карбонизации под давлением (ПКД) являются начальными этапами цикла. После каждой пропитки и карбонизации под давлением завершением цикла является графитация. Причем циклы повторяют до получения материала с плотностью 1,95 - 2,01 г/см3. Отличительной чертой данного примера является высокая температура графитации на начальных стадиях цикла производства материала. Графитация на первом стадии цикла проводилась при высокой температуре 2700°C, потеря массы составляет 4,5-5,0% от массы после пропитки и карбонизации под давлением. В последующих стадиях цикла графитация проводилась со значительным понижением температуры. В случае второй стадии цикла температура обработки 2100°C, потеря массы, в связи с понижением температуры, уменьшилась в два раза по сравнению с первой стадией цикла и составила 2,0-2,5%. В третьей стадии цикла температура обработки 1700°C, потеря массы уменьшилась по сравнению с со второй стадией цикла и составила 1,0-1,5%. В четвертой стадии цикла температура графитации составила 1300°C, потеря массы составила 0,3 - 0,5%. В пятой стадии цикла температура графитации составила 800°C, потери массы не зафиксировано.

Полученный материал выделяется своей прочностью и высокими физическими показателями.

Пример 2

Пример выполнен так же, как пример 1.

Графитация, на первой стадии цикла проводилась при температуре 2200°C, потеря массы в 3,0-4,0% от массы после ПКД. В последующих четырех стадиях цикла графитация проводилась со значительным понижением температуры и понижением массовых потерь получаемого материала. В случае второй стадии цикла - температура обработки 2100°C, потеря массы составила 2,0-2,5%. В третьей стадии цикла -температура обработки 1700°C, потеря массы составила 1,5-2,0%. В четвертой стадии цикла температура составила 1300°C, потеря массы составила 0,3-0,5%. в пятой стадии цикла температура составила 800°C, потери массы не зафиксировано.

Полученный материал выделяется своей прочностью, высокими физическими показателями и стойкостью к окислению.

Пример 3

Пример выполнен так же, как пример 1.

Графитация на первой стадии цикла проводилась при температуре 1700°C, положительной стороной является небольшая потеря массы в 3,5-4,0% от массы после ПКД. В случае второй стадии цикла - этап проводился при температуре обработки 2100°C, потеря массы составила 1,8-2,5%. В третьей стадии цикла - температура обработки 1700°C, потеря массы составила 1,3-2,0%. В четвертой стадии цикла температура составила 1300°C, потеря массы составила 0,3-0,5%. в пятом цикле температура составляет 800°C, потери массы не зафиксировано.

Полученный материал выделяется своей прочностью, средними физическими показателями.

Пример 4

Пример выполнен так же, как пример 1.

Графитация на первой стадии цикла проводилась при средней температуре 1300°C, положительной стороной является небольшая потеря массы в 3,0-3,3% от массы после ПКД. В случае второй стадии цикла этап проводился при температуре обработки 2100°C, потеря массы составила 2,0-3,0%. В третьей стадии цикла - температура обработки 1700°C, потеря массы составила 1,5-2,0%. В четвертой стадии цикла температура составила 1300°C, потеря массы составила 0,3-0,5%. в пятой стадии цикла температура составила 800°C, потери массы не зафиксировано.

Полученный материал выделяется своей прочностью и плохими физическими показателями.

Пример 5

Пример выполнен так же, как пример 1.

Графитация на первой стадии цикла проводилась при температуре 2800°C, положительной стороной является небольшая потеря массы в 3,0-3,3% от массы после ПКД. В случае второй стадии цикла этап проводился при температуре обработки 2200°C, потеря массы составила 1,0-1,1%. В третьей стадии цикла - температура обработки 1800°C, потеря массы составила 1,0-1,3%. В четвертой стадии цикла - температура составила 1400°C, в пятой стадии цикла температура составила 900°C. Потери массы в этих двух циклах не зафиксировано.

Полученный материал выделяется своей рыхлостью. Причиной этого являются плохие показатели предела прочности при сжатии и растяжении из-за расслоения по границам «стержень - углеродная матрица».

Источники информации

1. (Композиционные материалы. Справочник под ред. В.В. Васильева, Ю.М. Тарновского. - М.: Машиностроение, 1990, с.512.

2. Патент РФ №2119469, приоритет от 27.09.98, C04B 35/52.

3. Свенчанский А.Д., Электрические промышленные печи, 2 изд., ч.1., М., 1975.

Способ получения углерод-углеродного композиционного материала на основе многонаправленной армирующей заготовки, включающий последовательные процессы пропитки заготовки расплавленными углеводородами и карбонизации в герметизированном контейнере с размещенными углеводородами в виде слоя на дне контейнера 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, отличается тем, что перед процессом пропитки и карбонизации в герметизированном контейнере заготовку помещают в специальное приспособление, состоящее из двух одинаковых частей, нижней и верхней, каждая из которых выполнена из металлических колец, отстоящих от стенки контейнера на расстояние не менее 5 мм, и графитовых пластин, размещенных внахлест вертикально диаметрально к сварному шву контейнера и металлическим кольцам, при этом расстояние между графитовыми пластинами и заготовкой составляет не менее 5 мм, это расстояние засыпают углеводородами, а графитацию в вакууме проводят в пять этапов с понижением температуры на первом этапе не более 2700°C, на втором этапе не более 2100°C, на третьем этапе не более 1700°C, на четвертом этапе не более 1300°C, на пятом этапе не более 800°C от первого этапа к последнему.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области композиционных материалов с карбидокремниевой матрицей, предназначенных для работы в условиях окислительной среды при высоких температурах.

Изобретения могут быть использованы в аппаратах химической, химико-металлургической отраслях промышленности, а также в производстве особо чистых материалов. Неразъеёмная монолитная деталь аппарата, снабженная выступающими частями, изготовлена из углерод-углеродного композиционного материала на основе каркаса тканепрошивной структуры.
Изобретение относится к получению углерод-углеродных композиционных материалов фрикционного назначения, которые могут быть использованы в авиационных, автомобильных и железнодорожных тормозных системах.
Изобретение относится к изделиям скользящего контактного токосъема, в частности к токосъемным вставкам для железнодорожного и городского электротранспорта и технологии ее получения.

Изобретение относится к нанесению покрытий для защиты от окисления деталей из термоструктурных композитных материалов, содержащих углерод. Для получения самовосстанавливающегося слоя на детали из композитного материала на деталь наносят композицию, содержащую: суспензию коллоидного диоксида кремния, бор или соединение бора в виде порошка, карбид кремния в виде порошка, кремний в виде порошка и по меньшей мере один сверхжаропрочный оксид: Y2O3, HfO2, Al2O3, ZrO2.

Изобретение относится к изготовлению сопла или диффузора сопла из композитного материала. Техническим результатом изобретения является повышение прочности изделий.

Изобретение относится к области изготовления заготовок из композиционных углерод-углеродных материалов и предназначено для изготовления фрикционных элементов тормозных дисков для авиационной техники и наземного транспорта.

Изобретение относится к области изготовления фрикционных углерод-углеродных материалов и изделий из углеродистой волокнистой массы в смеси с порошкообразным связующим, в частности к пресс-пакетам, из которых формируются эти материалы и/или изделия.

Изобретение относится к модифицированию поверхности неорганического волокна путем формирования высокоразвитой поверхности неорганического волокна, используемого в качестве наполнителя, за счет формирования на волокнах углеродных наноструктур (УНС) и может найти применение в производстве высокопрочных и износостойких волокнистых композиционных материалов.
Изобретение относится к получению углерод-углеродных композиционных материалов фрикционного назначения, которые могут быть использованы в авиационных, автомобильных и железнодорожных тормозных системах.

Изобретение может быть использовано при изготовлении теплонапряженных участков конструкций, подверженных воздействию агрессивных окислительных сред. Графитовые заготовки подвергают вакуумной заливке каменноугольным высокотемпературным пеком при температуре выше температуры плавления пека.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к материалам для газодиффузионных электродов электрохимических источников тока, в том числе для топливных элементов с полимерными протонообменными мембранами, использующихся в качестве высоконадежных, экологически чистых источников тока, например, для резервных устройств бесперебойного питания.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к материалам для газодиффузионных электродов электрохимических источников тока, в том числе для топливных элементов с полимерными протонообменными мембранами, использующихся в качестве бесшумных источников тока, например, на подводных лодках.

Изобретение относится к области углерод-карбидокремниевых композиционных материалов (УККМ), работающих в условиях высокого теплового нагружения и окислительной среды, и может быть использовано в химической, нефтяной и металлургической промышленности, а также в авиатехнике для создания изделий и элементов конструкций, подвергающихся воздействию агрессивных сред и требующих герметичности от изделий из УККМ.
Изобретение относится к способу получения углеродсодержащих образцов, предназначенных для проведения экспресс-оценки качества графитированного наполнителя для изготовления силицированных изделий на его основе.

Изобретение относится к способу производства анодной массы для самообжигающихся анодов алюминиевых электролизеров и может быть использовано в производстве обожженных анодов.

Изобретение относится к технологии получения графитированных материалов, в частности углеродных блоков, и может найти применение в печах электрометаллургии и оснастке к ним, аппаратах для химических производств, машиностроении, спецтехнике.

Изобретение относится к области производства объемносилицированных изделий. .

Изобретение относится к огнеупорам, содержащим углеродистую связку и используемым в производстве чугуна, стали и т.п. .

Изобретение относится к способам изготовления герметичных изделий из углерод-карбидокремниевых материалов (УККМ), предназначенных для работы в химической, химико-металлургической и других отраслях промышленности. Способ включает формирование каркаса из углеродных волокон, имеющих клтр 3-3,5×10-6 град-1, уплотнение его пироуглеродом до его привеса 30-50%, или при его формировании используют углеродные волокна или ткань со сформированным на них пироуглеродным покрытием с образованием заготовки из пористого углерод-углеродного материала. Затем в поры такой заготовки вводят частями, не менее чем за 2 приема, кокс и кремний, чередуя их введение. Кокс вводят путем пропитки коксообразующим связующим с последующим его отверждением и карбонизацией. Введение кремния на промежуточных стадиях осуществляют путем конденсации паров кремния в порах материала заготовки в процессе нагрева и выдержки заготовки и тиглей с кремнием при температуре на силицируемой заготовке 1300-1650°C с последующим нагревом до 1800°C, выдержкой при 1800-1850°C в течение 1-2 часов и охлаждением в условиях, исключающих конденсацию паров кремния в порах материала, а введение кремния на окончательной стадии силицирования - путем конденсации паров кремния в порах материала в период подъема температуры и/или окончательного охлаждения с 1800-1850°C. Техническим результатом изобретения является повышение срока службы герметичных изделий из УККМ в окислительных средах при высоких температурах. 4 з.п. ф-лы, 20 пр., 3 табл.
Наверх