Способ получения углерод-углеродого композиционного материала


 


Владельцы патента RU 2607401:

Гордеев Сергей Константинович (RU)
Барзинский Олег Викторович (RU)

Изобретение может быть использовано для изготовления деталей теплозащиты и изделий медицинского назначения. Сначала изготавливают пористую армирующую основу из углеродных волокон на поверхности углеродного нагревателя методами выкладки или намотки углеродных нитей, жгутов, лент, тканей или войлока. Нагреватель выполнен из углеродной пластины с соотношением длина:ширина не менее 1 и расположен внутри армирующей основы. Затем формируют пироуглеродную матрицу в среде газообразных углеводородов при температуре выше температуры их разложения в условиях градиента температуры, созданного нагревателем. Изобретение позволяет упростить изготовление плоских пластин из углерод-углеродного композиционного материала и обеспечить их оптимальное армирование, а следовательно, и механическую прочность. 1 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к области технологии композиционных материалов и может быть использовано для изготовления деталей теплозащиты, а также изделий медицинского назначения.

В структуре углерод-углеродных композиционных материалов можно выделить армирующую основу, состоящую из углеродных волокон, и углеродную матрицу, связывающую волокна в единый композит. Получение углерод-углеродных композиционных материалов включает в себя изготовление армирующей основы из углеродных волокон (методами выкладки или намотки волокон с учетом требований к ориентации волокна в материале) и последующее формирование углеродной матрицы. Одним из вариантов получения углеродной матрицы является термообработка армирующей основы в среде углеводородов при температуре, превышающей температуру их разложения. Такая матрица называется пироуглеродной матрицей.

Известен способ изготовления углерод-углеродного композиционного материала, описанный в патенте РФ №2225354. При реализации способа изготавливают пористую армирующую основу получаемого углерод-углеродного композиционного материала - каркас из углеродных волокон - и помещают ее в реакционную камеру коаксиально углеродному нагревателю. В качестве нагревателя используют стержень из углеродного материала, например из углерод-углеродного композиционного материала. Затем проводят осаждение пироуглеродной матрицы в порах армирующей основы. Осаждение проводят в среде природного газа в условиях температурного градиента в армирующей основе. Температура в зоне пиролиза достигает 900-1000°С, а зона пиролиза перемещается от стержневого нагревателя к периферии со скоростью не менее 0,03 мм/ч.

Недостатком известного способа является сложность его применения при изготовлении пластин из углерод-углеродного композиционного материала. Получаемый материал формируется в виде цилиндра, поэтому изготовление пластин может быть осуществлено только механической обработкой, что приводит к большим потерям материала. Кроме того, армирование волокнами осуществлено не в плоскости изготавливаемой пластины, что может ухудшать ее механические свойства.

Задачей изобретения является упрощение технологии изготовления пластин из углерод-углеродного композиционного материала.

Технический результат достигается тем, что при получении углерод-углеродного композиционного материала, включающем изготовление пористой армирующей основы из углеродных волокон и последующее формирование пироуглеродной матрицы в среде газообразных углеводородов при температуре выше температуры их разложения в условиях градиента температуры в армирующей основе, созданного нагревателем, установленным внутри армирующей основы, нагреватель выполнен из углеродной пластины с соотношением длина:ширина не менее 1.

Использование нагревателя, длина которого меньше ширины, нецелесообразно, т.к. неравномерность нагрева такого нагревателя по длине приводит к большой неоднородности получаемых материалов.

Предпочтительно, если длина нагревателя не превышает его ширину более чем в 20 раз, в противном случае снижается эффективность использования именно плоского нагревателя, т.к. по соотношению размеров и формы нагреватель приближается к известным цилиндрическим нагревателям, которые проще изготавливать и использовать в высокотемпературных печах.

Предпочтительно, чтобы формирование армирующей основы осуществлялось непосредственно на поверхности углеродного нагревателя методами выкладки или намотки углеродных нитей, жгутов, лент, тканей или войлока. Такой технологический прием упрощает технологию и снижает трудоемкость изготовления материала.

Сущность изобретения состоит в следующем.

В ряде случаев существует потребность изготовления тонких пластин из углерод-углеродного композиционного материала с пироуглеродной матрицей, например, толщиной от 2 до 10 мм. Обычно такие пластины получают, формируя матрицу изотермическим способом, т.е. обработкой армирующей основы в среде газообразных углеводородов при температуре, превышающей температуру их разложения, в условиях равномерного нагрева всей армирующей основы. Изотермический способ формирования пироуглеродной матрицы длительный и требует, например, 100-250 часов, что делает его трудоемким и энергоемким.

Предлагаемое техническое решение обеспечивает изготовление тонких пластин из углерод-углеродного композиционного материала методом синтеза пироуглеродной матрицы в условиях температурного градиента. Для реализации способа используют углеродный нагреватель в виде пластины. Он может быть изготовлен, например, из углеграфитового материала или из углерод-углеродного композиционного материала. На поверхности нагревателя (пластины) устанавливается пористая армирующая основа получаемого композита, которая выполнена из углеродных волокон. Например, пластина-нагреватель обматывается нитью, лентой, жгутом, тканью или войлоком из углеродного волокна. При этом выбирается и реализуется заранее установленный вид армирования, т.е. направления расположения углеродных волокон в армирующей основе и доля волокон, ориентированных в каждом из направлений. Важно, что в этом случае легко реализуется ориентация армирующих волокон параллельно плоскости пластины, что важно для придания ей повышенных механических свойств. Толщина армирующей основы, предпочтительно, должна превышать толщину изготавливаемой пластины из углерод-углеродного композиционного материала, например, на 1-3 мм. Предпочтительно, чтобы армирующая основа занимала не всю площадь пластины-нагревателя: по длине, по краям пластины-нагревателя остаются свободные от армирующей основы участки, необходимые для закрепления нагревателя в тоководы, подводящие напряжение к пластине-нагревателю.

После описанной подготовки заготовка, а именно нагреватель с армирующей основой, устанавливается в установку синтеза пироуглеродной матрицы. Для этого свободные от армирующей основы концы нагревателя устанавливаются в тоководы и заготовка изолируется от внешней атмосферы специальной камерой, в которую подают газовую смесь, содержащую газообразный углеводород или смесь углеводородов.

Пропусканием электрического тока через нагреватель нагревают армирующую основу. При этом температуру нагревателя выбирают таким образом, чтобы температура армирующей основы, прилегающей к нагревателю, была выше температуры разложения используемых углеводородов. В этой области в порах армирующей основы происходит процесс формирования пироуглеродной матрицы, которая связывает углеродные волокна в единый углерод-углеродный композиционный материал. Температура других областей армирующей основы, отстоящих от поверхности нагревателя и находящихся ближе к поверхности заготовки, существенно ниже температуры разложения используемых углеводородов. Это определено известными законами теплопроводности (закон Фурье) и подтверждается экспериментом. В указанных областях не происходит образование пироуглеродной матрицы.

В ходе процесса изготовления углерод-углеродного композиционного материала постепенно увеличивают температуру нагревателя, повышая тем самым температуру областей армирующей основы, отстоящих от нагревателя, и реализуя в них процесс синтеза пироуглеродной матрицы. После окончания процесса, отключения нагрева и остывания нагревателя полученный материал с нагревателем извлекают из камеры. При этом в некоторых случаях на поверхности армирующей основы может находиться слой с меньшим содержанием пироуглеродной матрицы. Его при необходимости удаляют, например, механической обработкой. Затем отделяют нагреватель от изготовленной на его поверхности углерод-углеродной пластины (например, механически).

Как показали эксперименты, время изготовления пластины (получают две пластины - с двух плоскостей пластины-нагревателя) толщиной 5 мм составляет, например, от 5 до 20 часов, что существенно меньше времени, необходимого для изготовления композита при изотермическом методе синтеза пироуглеродной матрицы.

В сравнении с известным способом получения пироуглеродной матрицы углерод-углеродного композиционного материала в условиях градиента температуры внутри армирующей основы, в котором используется цилиндрический нагреватель (стержень), предлагаемый способ упрощает получение именно пластин. При этом в пластине может быть заранее сформирована наиболее оптимальная армирующая основа, в которой углеродные волокна лежат в плоскости пластины, обеспечивая тем самым необходимые механические свойства пластине. Цилиндрический вид нагревателя в известном техническом решении определяет и цилиндрическую симметрию армирующей основы, а также цилиндрическую симметрию зоны формирования пироуглеродной матрицы в синтезируемом углерод-углеродном композиционном материале. Изготовление пластин из такого материала возможно механической обработкой, однако равномерное распределение армирующих волокон и пироуглеродной матрицы в плоскости пластины в большинстве случаев не будет реализовано.

Именно поэтому предлагаемое техническое решение позволяет упростить изготовление пластин из углерод-углеродного композиционного материала и обеспечить их оптимальное армирование, а следовательно, и механические свойства.

Следующий пример характеризует сущность предлагаемого изобретения.

Из углеграфитового материала марки МПГ-7 изготавливают нагреватель в виде пластины длиной 300 мм, шириной 100 мм и толщиной 3 мм. Нагреватель обматывают углеродной тканью марки Урал Т-2, формируя тем самым пористую армирующую основу (пористость - 52% об.) получаемого углерод-углеродного композиционного материала. Намотку осуществляют тканью шириной 250 мм, располагая ее в середине по длине нагревателя: нагреватель свободен от армирующей основы на 25 мм от каждого края по его длине. Намотку осуществляют до толщины слоя ткани 5 мм.

Полученную заготовку устанавливают в камеру установки синтеза пироуглеродной матрицы в условиях температурного градиента и нагреватель закрепляют в тоководах. Камеру закрывают и в нее подают природный газ с избыточным давлением 10 мм рт.ст. Избыток газа удаляют из камеры. На тоководы подают напряжение, обеспечивающее нагрев пластины нагревателя до температуры 980°С. Процесс синтеза осуществляют 8 часов, увеличивая каждый час температуру нагревателя на 10°С. После окончания процесса извлекают заготовку из установки. С внешней поверхности механической обработкой (фрезерование) удаляют слой толщиной 1,5 мм. Изготовленные две пластины (по двум плоскостям нагревателя) из углерод-углеродного композиционного материала механически отделяют от нагревателя.

В результате реализации способа по приведенному примеру изготовлены две пластины из углерод-углеродного композиционного материала размером 250×100×3,5 мм. Испытания свойств материала показали, что он имеет плотность 1,52 г/см3, прочность при трехточечном изгибе 45 МПа, модуль упругости 9 ГПа. Изготовленные пластины могут быть применены в качестве жаростойких экранов, а также для изготовления углеродных имплантатов для замещения костных дефектов.

Таким образом, применение предлагаемого технического решения позволяет упростить изготовление плоских пластин из углерод-углеродного композиционного материала и обеспечить их оптимальное армирование, а следовательно, и механическую прочность.

1. Способ получения углерод-углеродного композиционного материала, включающий изготовление пористой армирующей основы из углеродных волокон и последующее формирование пироуглеродной матрицы в среде газообразных углеводородов при температуре выше температуры их разложения в условиях градиента температуры в армирующей основе, созданного нагревателем, установленным внутри армирующей основы, отличающийся тем, что нагреватель выполнен из углеродной пластины с соотношением длина:ширина не менее 1, а изготовление армирующей основы осуществляют на поверхности углеродного нагревателя методами выкладки или намотки углеродных нитей, жгутов, лент, тканей или войлока.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что нагреватель выполнен из углеродной пластины с соотношением длина:ширина в интервале 1-20.



 

Похожие патенты:

Изобретение может быть использовано в авто- и авиастроении. Углерод-углеродный композиционный материал получают посредством изготовления преформы из углеродных волокон, уплотнения полученной преформы матрицей из пиролитического углерода, получающегося из прекурсора в газообразном состоянии, по меньшей мере в основной наружной фазе матрицы, и заключительной термообработки при температуре 1400°-1800°С, не вызывая при этом графитизации матрицы из пиролитического углерода.

Изобретение может быть использовано при изготовлении изделий из композиционных материалов, предназначенных для работы в условиях воздействия внутреннего давления среды с высоким окислительным потенциалом.

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 предназначено для использования в химической, химико-металлургической, в авиационной и космической отраслях промышленности. Формируют каркас углерод-углеродного композиционного материала (УУКМ) из низкомодульных углеродных волокон, заполняют его поры дисперсным углеродным наполнителем путем выращивания в них каталитическим методом в газовой фазе наноразмерного углерода в форме частиц, волокон или трубок до его содержания 3,7-10,9% от веса волокнистого каркаса.

Изобретение относится к области создания и производства углеродных материалов с высокими физико-механическими характеристиками, в частности углерод-углеродных композиционных материалов на основе тканых армирующих наполнителей из углеродного высокомодульного волокна и углеродной матрицы, сформированной из пеков в процессе карбонизации и последующих высокотемпературных обработок.
Изобретение относится к способу получения формованного изделия из углеродного материала и может быть использовано в качестве графитовых электродов и соединительных элементов для электротермических процессов.

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.

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 может быть использовано в промышленном синтезе катодных материалов для литиевых химических источников тока высокой энергоемкости. Древесину измельчают до размера частиц менее 2 мм и сушат в потоке сухого азота при 120-130°С.

Изобретение может быть использовано в электротехнике и энергетике при изготовлении электродов, литиевых батарей и суперконденсаторов для систем аккумулирования энергии.

Изобретение предназначено для химической промышленности и медицины и может быть использовано при изготовлении фильтрующих элементов, адсорбентов, носителей катализаторов, материалов для восстановления костной ткани.

Изобретение относится к химической и фармацевтической отраслям промышленности и касается химической функционализации фуллерена C60, в частности метода синтеза органических производных [60] фуллерена, в том числе растворимых в воде и физиологических средах.

Устройство для получения гранул углекислоты содержит распылитель жидкой углекислоты, цепь, образованную шарнирно соединенными между собой с зазором пластинами, опорные приводные колеса, валки, которые установлены между собой с зазором для прессования снега, транспортируемого цепью, перегородку, выполненную с возможностью подъема и опускания для регулировки толщины снега при формировании гранул, опорно-выгружное колесо, поддон.

Изобретение относится к способу синтеза фуллерида металлического нанокластера и к материалу, включающему фуллерид металлического нанокластера. Способ синтеза фуллерида металлического нанокластера включает механическое сплавление металлических нанокластеров с размером частиц между 5 нм и 60 нм с кластерами фуллеренового типа путем измельчения в планетарной мельнице, при котором молекулы фуллерена в фуллериде металлического нанокластера сохраняются.

Изобретение относится к области нанотехнологии и наноэлектроники. Способ формирования наноразмерной пленки карбида вольфрама включает нанесение на полупроводниковую или диэлектрическую подложку в процессе импульсно-плазменного осаждения на двуканальной установке импульсного осаждения электроэрозионной дуговой плазмы двухслойной структуры покрытия суммарной толщиной 5 нм, состоящей из пленки вольфрама и пленки углерода, и карботермический синтез в вакууме при давлении не выше 5·10-4 Па и температуре не более 450°C не более 10 мин со скоростью нагрева и охлаждения не менее 25 град/мин при соотношении толщин пленок вольфрама и углерода 5:1 и 3,5:1.

Изобретение относится к нанотехнологии, а именно к материалу и способу получения сферических конгломератов, содержащих наноразмерные частицы (НРЧ) металла, в частности меди, в оболочке из другого вещества или органического полимера.

Изобретение относится к медицине, в частности к экспериментальной фармакологии и биофармации, и описывает способ количественного определения углеродных наноструктур, в частности наноалмазов и нанотрубок, в биологических образцах и их распределение в организме ex vivo, основанное на использовании метода масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой.

Изобретение может быть использовано в водородной энергетике и сталелитейной промышленности. В реакционное пространство помещают обогащенный углеродом гранулят с размером частиц от 0,1-100 мм, содержащий по меньшей мере 80 мас. % углерода, вводят углеводороды и подвергают их термической деструкции на углерод и водород. Тепловую энергию, необходимую для деструкции углеводородов, производят вне реакционного пространства, а затем в него вводят нагретый газообразный теплоноситель - водород или азот. В качестве обогащенного углеродом гранулята используют коксовую мелочь, низкокачественный кокс коксохимического производства на основе бурого или каменного угля и/или кокс, полученный из биомассы, и пропускают его через реакционное пространство непрерывно в виде подвижного или кипящего слоя. Часть удаленного из реакционного пространства углеродсодержащего гранулята возвращают в реакционное пространство. Изобретение позволяет получить одновременно углерод и водород высокой степени чистоты в промышленных масштабах. 9 з.п. ф-лы, 1 ил.
Наверх