Получение композиционных материалов с керамической матрицей, содержащих углеродные нанотрубки и графен
Предложены системы и способы получения композиционного материала с керамической матрицей (CMC), содержащего углеродные нанотрубки и графен, который может быть использован в качестве обшивки воздушного судна. Способ получения композиционной структуры с керамической матрицей включает обеспечение смеси углеродных нанотрубок, графена и карбонитрида кремния; нагревание указанной смеси до первой температуры для инициирования образования химических связей между углеродными нанотрубками и графеном в интервале 750-950°С и повышение давления смеси в ходе ее нагревания при второй температуре с обеспечением спекания карбонитрида кремния в смеси при температуре ниже 1000°С. Количество углеродных нанотрубок в смеси составляет от 10 до 30 % по массе, графен содержит нанографеновые пластинки с размером, составляющим от 6 до 8 нм в толщину и от 5 до 25 мкм в ширину, при этом количество графена в смеси составляет от 10 до 30% по массе; карбонитрид кремния содержит порошок с размерами частиц от 0,1 до 1 мкм в диаметре, при этом количество карбонитрида кремния составляет от 60 до 80% по массе. Общая масса углеродных нанотрубок и графена в указанной смеси составляет менее 40% по массе. Технический результат изобретения – получение гибкого легкого материала для воздушного судна, который также может защитить от широкого спектра угроз, связанных с воздействием направленной энергии. 2 н. и 16 з.п. ф-лы, 6 ил.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к области материаловедения и, в частности, к получению композиционных материалов с керамической матрицей.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Атаки с применением направленной энергии (например, электромагнитные импульсы, лазеры и т.п.) могут проникать в воздушное судно и нарушать работу находящихся внутри него электронных устройств и средств обеспечения безопасности и связи. Опасными могут быть частоты электромагнитных помех (EMI) в каждом из низкого (<100 МГц), среднего (100 МГц - 1 ГГц) и высокого (>1 ГГц) диапазонов. Поэтому на некоторых воздушных суднах для защиты от EMI и направленной энергии по всем диапазонам частот используют обшивку, выполненную из стали толщиной до двух дюймов (примерно 5 см). Однако из-за значительной массы такой обшивки указанный вид защиты в широком диапазоне частот резко снижает летные характеристики и готовность к выполнению полетного задания воздушного судна.
На многих воздушных суднах используют обшивку из композиционных материалов с керамической матрицей (CMC) из-за ее сравнительно небольшой массы и способности выдерживать высокие температуры, расширение, окисление и абразивный износ. Однако такой материал является сравнительно хрупким и неэластичным и характеризуется пониженной способностью к экранированию и защите от направленной микроволновой энергии. Поэтому остается потребность в гибком, легком материале для воздушного судна, который также может защитить от широкого спектра угроз, связанных с воздействием направленной энергии.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Варианты реализации, описанные в настоящем документе, включают получение композиционного материала с керамической матрицей (CMC), содержащего углеродные нанотрубки и графен. Проводящие пути, образующиеся между углеродными нанотрубками и графеном внутри керамической основы, позволяют получить материал, который является легким (например, 2 г/см3) и обладает высокой теплопроводностью и электрической проводимостью (например,>3×106 См/м) для обеспечения улучшенной термостойкости (например, до 1000°С) и защиты от прямых энергетических угроз. Комбинация керамического материала, углеродных нанотрубок и графена также позволяет получить гибкие листы, которые можно формовать на изгибах корпуса воздушного судна, устойчивые к угрозам, связанным с ударами и направленной энергией, и не проявляющие ухудшения механической прочности.
Один из вариантов реализации настоящего изобретения представляет собой способ получения композиционной структуры с керамической матрицей. Предложенный способ включает обеспечение смеси углеродных нанотрубок, графена и карбонитрида кремния. Предложенный способ дополнительно включает нагревание указанной смеси для связывания углеродных нанотрубок и графена и спекания в смеси карбонитрида кремния.
Другим вариантом реализации является композиционный материал с керамической матрицей, содержащий углеродные нанотрубки, графен, химически связанный с углеродными нанотрубками, и карбонитрид кремния, спеченный в смеси с углеродными нанотрубками и графеном.
Другие примеры реализации настоящего изобретения могут быть описаны ниже. Рассмотренные особенности, функциональные возможности и преимущества можно независимо обеспечить в разных вариантах реализации или их можно комбинировать в других вариантах реализации, с дополнительными деталями которых можно ознакомиться со ссылкой на следующее описание и чертежи.
ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Некоторые варианты реализации настоящего изобретения описаны в настоящем документе только в качестве примера и со ссылкой на прилагаемые чертежи. На всех чертежах одинаковая ссылочная позиция обозначает один и тот же элемент или один и тот же тип элемента.
На фиг. 1 показано воздушное судно согласно типичному варианту реализации.
На фиг. 2 показан композиционный материал с керамической матрицей согласно типичному варианту реализации.
Фиг. 3 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую способ получения CMC материала согласно типичному варианту реализации.
На фиг. 4 показана производственная система и способ получения CMC материала 102 согласно типичному варианту реализации.
Фиг. 5 представляет собой схему последовательности операций при производстве воздушного судна и методологии обслуживания согласно типичному варианту реализации.
Фиг. 6 представляет собой структурную схему воздушного судна согласно типичному варианту реализации.
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Фигуры и приведенное ниже описание иллюстрируют конкретные примеры реализации настоящего изобретения. Соответственно, следует понимать, что специалисты в данной области техники смогут разработать различные конструкции, которые, хотя и не описаны или не показаны в явном виде в настоящем документе, реализуют принципы настоящего изобретения и включены в пределы объема настоящего изобретения. Кроме того, подразумевают, что любые примеры, описанные в настоящем документе, способствуют пониманию принципов изобретения и должны рассматриваться как не ограниченные такими специально перечисленными примерами и условиями. В результате настоящее изобретение ограничено не конкретными вариантами реализации или примерами, описанными ниже, а формулой изобретения и ее эквивалентами.
На фиг. 1 показано воздушное судно 100 согласно типичному варианту реализации. Воздушное судно 100 может представлять собой любой объект, способный летать, в том числе самолеты, дроны, ракеты, транспортные средства, спутники и т.п., который, при необходимости, может управляться человеком или автоматически. Воздушное судно 100 содержит композиционный материал 102 с керамической матрицей (CMC) в форме одного или нескольких листов, которые покрывают воздушное судно 100 или по меньшей мере его часть или компонент.CMC материал 102 обеспечивает структуру, которая защищает внутреннюю часть воздушного судна от элементов, находящихся во внешней среде, в том числе от прямых энергетических 104 угроз в форме микроволновой энергии высокой мощности, электромагнитных импульсов, лазеров высокой мощности, ядерных ударов и т.п.Направленная энергия 104 может включать радиочастоты (RF) в низком (<100 МГц), среднем (100 МГц - 1 ГГц) и/или высоком (>1 ГГц) диапазоне.
В целом, термин «композит с керамической матрицей» относится к композиционному материалу, изготовленному из переплетающихся волокон, связанных в керамической матрице. CMC материал характеризуется своей небольшой массой и устойчивостью к высоким температурам, расширению, окислению и абразивному износу, что делает его подходящим обшивочным материалом для применения в авиакосмической промышленности. Однако общепринятый CMC материал является также сравнительно хрупким и неэластичным и обладает плохой эффективностью экранирования. В совсем недавних научно-исследовательских работах описаны методы усиления керамического материала с помощью многостеночных углеродных нанотрубок способом, позволяющим улучшить сопротивление абразивному износу и термостойкость, но такой материал остается ограниченным с точки зрения улучшения прочности, гибкости и защиты от частот в диапазоне от средних до высоких значений и предоставляет небольшую защиту или не предоставляет защиты от микроволновой энергии высокой мощности (например, в общем от 300 МГц до 300 ГГц).
Поэтому CMC материал 102 усиливают и включают композицию, обеспечивающую улучшенные гибкость, жесткость, ударопрочность и эффективность экранирования в диапазоне средних и высоких частот, для достаточной защиты от угроз, связанных с применением направленной энергии 104 и предотвращения радиоэлектронной дестабилизации воздушного судна 100. На фиг. 2 показан CMC материал 102 согласно типичному варианту реализации. CMC материал 102 содержит комбинацию керамической матрицы 210, углеродных нанотрубок 220 и графена 230. Углеродные нанотрубки 220 и графен 230 оба являются углеродными материалами, имеющими высокую электрическую проводимость и большие удельные поверхности. В CMC материале 102 керамическую основу, обеспеченную керамической матрицей 210, усиливают за счет образования химических связей 240 между углеродными нанотрубками 220 и графеном 230, что позволяет увеличить проводящее поперечное сечение CMC материала 102 и улучшить его энергопоглощение и теплоотдачу. Кроме того, присутствие и дисперсия графена 230 придают CMC материалу 102 способность к поглощению микроволн (например, в диапазоне от 300 МГц до 300 ГГц) и гибкость и, кроме того, усиливают другие характеристики, уже обеспеченные керамической матрицей 210 и углеродными нанотрубками 220, включая энергопоглощение при частотах в диапазоне от средних до высоких значений.
Керамическая матрица 210 может включать матрицы, полученные из любого подходящего керамического материала, в том числе, но не ограничиваясь ими, из керамических материалов на основе карбида, нитрида, оксида и борида, таких как карбонитрид кремния (SiCN), нитрид кремния, карбид кремния, оксид алюминия и т.п. Керамическая матрица 210 может содержать микроструктуры, образованные посредством спекания и уплотнения мелкоизмельченного порошка. Согласно одному из вариантов реализации представляющий собой керамическую матрицу 210 компонент CMC материала 102 получают из мелкоизмельченного порошка SiCN, диаметры частиц которого составляют от 0,1 микрометра (мкм) до 1,0 мкм. Соответственно, CMC материал 102 можно получить с применением порошкообразного SiCN, а не посредством пиролиза предшествующих химических веществ. Получение с помощью порошкообразного SiCN позволяет успешно поддержать дисперсию с точки зрения достижения гомогенизированного состояния и помогает избежать агломерации частиц, так что при операции отливки/прессования можно получить однородную заготовку, готовую для спекания для получения листа CMC материала 102.
Углеродные нанотрубки 220 обычно содержат полые цилиндрические структуры полимеров на основе чистого углерода, которые придают CMC материалу 102 уникальные механические, электрические и химические свойства в зависимости от их конкретной формы и размеров. В настоящем документе префикс «нано-» обычно относится к размерам, составляющим менее 100 нанометров (нм). Углеродные нанотрубки 220 могут содержать «канаты» или пучки нанотрубок, удерживаемые вместе вдоль их длины посредством сил Ван-дер-Ваальса, которые обеспечивают ветвление и соединение соседних нанотрубок. Альтернативно или дополнительно, углеродные нанотрубки 220 могут содержать одностеночные углеродные нанотрубки, многостеночные углеродные нанотрубки, фуллереновые трубки или другие наноструктуры или их комбинации. Согласно одному из вариантов реализации углеродные нанотрубки 220 в CMC материале 102 содержат одностеночные углеродные нанотрубки с длиной в диапазоне от 0,5 миллиметров (мм) до 4 мм и диаметром от 1 нм до 50 нм. Согласно другому варианту реализации углеродные нанотрубки 220 могут содержать смесь одностеночных углеродных нанотрубок (например, для обеспечения электрической проводимости/теплопроводности) и многостеночные углеродные нанотрубки (например, для обеспечения объемного углерода для процесса роста путем соединений).
Графен 230 обычно содержит аллотроп углерода в форме тонкого плоского листа зр2-связанных атомов углерода в сотовой кристаллической решетке. Согласно одному из вариантов реализации графен 230 содержит графеновые пластинки, образующие стопки из нескольких графеновых листов наноразмерной толщины. Альтернативно или дополнительно, графен 230 может содержать нанографеновые пластинки с размерами, составляющими от 6 нм до 8 нм в толщину и от 5 мкм до 25 мкм в ширину.
Иллюстративные подробности получения CMC материала 102, содержащего описанные выше материалы и имеющего описанные выше свойства, приведены ниже. Фиг. 3 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую способ 300 получения CMC материала 102 согласно типичному варианту реализации. Не все стадии на блок-схемах, приведенных в настоящем документе, являются исчерпывающими, указанные стадии могут включать и другие не показанные стадии и могут быть выполнены в альтернативных порядках.
На стадии 302 обеспечивают смесь углеродных нанотрубок 220, графена 230 и SiCN. Каждый материал можно получить из коммерческого источника или разработать/приготовить в соответствии с любым количеством подходящих методов. Например, углеродные нанотрубки 220 можно получить посредством дугового разряда между углеродными электродами в атмосфере инертного газа, и/или графен 230 можно получить путем соединения графеновой пленки с подложкой и нанесенным катализатором. Согласно одному из вариантов реализации углеродные нанотрубки 220 могут быть получены с помощью катализаторов, которые оставляют после себя примеси (например, Fe2O3), при этом для усиления роста и соединения углеродных нанотрубок 220 с графеном 230 можно использовать указанные катализаторы и/или дополнительные катализаторы.
На стадии 304 полученную смесь нагревают для связывания углеродных нанотрубок 220 и графена 230. При этом указанную смесь можно подвергнуть уплотнению и отверждению с помощью нагретого пресса, автоклава, печи, вакуума и т.п. Нагревание смеси составляющих материалов при предварительно заданной температуре в течение предварительно заданного периода времени обеспечивает образование ковалентных связей в местах контакта углеродных нанотрубок 220 и графена 230.
На стадии 306 SiCN, содержащийся в указанной смеси, спекают. При этом такую смесь можно дополнительно нагреть с помощью одного или более из перечисленных выше методов, чтобы вызвать спекание керамического материала, получаемого для указанной смеси. Результатом такого спекания является CMC материал 102, имеющий гибридную керамическую композиционную структуру, который является гибким и легким (например, 2 г/см3) и обладает высокой теплопроводностью и электрической проводимостью (например,>3×106 См/м) для обеспечения улучшенной термостойкости (например, до 1000°С) и защиты от угроз, связанных с применением направленной энергии 104.
На фиг. 4 показана производственная система и способ 400 получения CMC материала 102 согласно типичному варианту реализации. Не все стадии, описанные в настоящем документе, являются исчерпывающими, указанные стадии могут включать и другие не показанные стадии и могут быть выполнены в альтернативных порядках. Кроме того, компоненты технологического оборудования, описанные в настоящем документе, приведены в качестве примера с иллюстративными целями и могут включать альтернативные или дополнительные производственные инструменты или методы.
Для такого варианта реализации предположим, что исходные материалы для получения CMC материала 102 включают одностеночные углеродные нанотрубки, графеновые пластинки и порошок SiCN. Далее для такого варианта реализации предположим, что технологическое оборудование включает загрузочный плунжер 422, матрицу 430, пресс-штемпель 440 и вакуумную печь 460. Как показано на стадии 402, одностеночные углеродные нанотрубки, графеновые пластинки и порошок SiCN смешивают. Полученную смесь 420 можно разместить в загрузочном плунжере 422.
Относительные доли и/или количества керамического материала, одностеночных углеродных нанотрубок и графеновых пластинок могут меняться в зависимости от требуемых рабочих характеристик полученного CMC материала 102. Согласно одному из вариантов реализации смесь, применяемая для получения CMC материала 102, содержит одностеночные углеродные нанотрубки в количестве примерно 20% по массе, графеновые пластинки в количестве примерно 20% по массе и SiCN в порошковой форме в количестве примерно 60% по массе. Соответственно, указанная смесь может составлять примерно 2,1 г/см3 и содержать одностеночные углеродные нанотрубки при примерно 0,42 г/см3, графен при примерно 0,42 г/см3 и SiCN при примерно 1,26 г/см3. Согласно другому варианту реализации указанная смесь может содержать одностеночные углеродные нанотрубки в диапазоне от 10 до 30% по массе, графеновые пластинки в диапазоне от 10 до 30% по массе и SiCN в порошковой форме в диапазоне от 60 до 80% по массе, при этом общая масса одностеночных углеродных нанотрубок и графеновых пластинок составляет менее 40% по массе. Соответственно, указанная смесь может содержать одностеночные углеродные нанотрубки в диапазоне от 0,21 г/см3 до 0,63 г/см3, графеновые пластинки в диапазоне от 0,21 г/см3 до 0,63 г/см3 и SiCN в диапазоне от 1,26 г/см3 до 1,68 г/см3. Согласно другому варианту реализации размер частиц порошкообразного SiCN может составлять от 0,1 мкм до 1,0 мкм, при этом верхний предел устанавливается термодинамикой спекания, а нижний предел выбирают таким образом, чтобы избежать флокуляции частиц. Согласно другому варианту реализации размер частиц порошкообразного SiCN может составлять от 1 мкм до 100 мкм, что обеспечивает возможность использования сырьевых керамических материалов в более крупных кусках и/или с более низким качеством. Согласно еще другому варианту реализации графеновые пластинки имеют объемную плотность от 0,03 грамм на кубический сантиметр (г/см3) до 0,1 г/см3, содержание кислорода менее 1%, содержание углерода более 99,5% по массе и остаточное содержание кислоты менее 0,5% по массе.
Смешивание одностеночных углеродных нанотрубок, графеновых пластинок и порошка SiCN может включать механическое смешивание (например, измельчение в шаровой мельнице) и/или включать применение суспензии одного или нескольких материалов в жидкой суспендирующей среде. Соответственно, стадия 402 может альтернативно или дополнительно включать обеспечение суспензии для смеси для получения дисперсии и/или перемешивание дисперсии. Согласно одному из конкретных вариантов реализации суспензия содержит примерно 10% по массе PS4 (поверхностно-активное вещество на основе кислоты, растворимое в кетонах) и этанол. Такая суспензия позволяет уменьшить высоту седиментации и повысить дисперсию SiCN частиц, что способствует спеканию керамического материала. Указанная суспензия также позволяет избежать повторной агломерации частиц SiCN и облегчает стабилизацию суспензии. Таким образом, полученную дисперсию можно перемешивать с применением вибрационного смесителя Turbula и ультразвукового преобразователя до обеспечения гомогенизации дисперсии (обычно не более тридцати минут, но может зависеть от объема партии).
На стадии 404 загрузочный плунжер 422 вместе со смесью 420 помещают поверх матрицы 430. Соответственно, дисперсию можно вылить на гипсовую пресс-форму для устранения жидкости за счет капиллярного действия. Такой процесс удаления жидкости за счет капиллярного действия может занимать примерно 48 часов. Результатом является деагломерированная форма 450, готовая к отливке/прессованию.
На стадии 406 загрузочный плунжер 422 удаляют из матрицы 430, заполненной пресс-формой 450, и сжимают пресс-форму 450 с применением пресс-штемпеля 440. С помощью пресс-штемпеля 460 пресс-форму 450 можно подвергать горячему прессованию при предварительно заданной температуре, давлении и времени с получением заготовки, готовой к спеканию. Во время этой стадии могут проявиться силы Ван-дер-Ваальса между одностеночными углеродными нанотрубками и графеновыми пластинками при температурах до 250 градусов по Фаренгейту (примерно 121 градусов Цельсия) и давлении порядка 100 фунтов на квадратный дюйм (psi) (примерно 689 кПа). Согласно одному из вариантов реализации с помощью пресс-штемпеля 440 указанную пресс-форму подвергают горячему прессованию при примерно 5000 psi (примерно 34473 кПа) и 250 градусов Цельсия в атмосфере азота с давлением примерно 1 атм. с получением заготовки.
На стадии 408 в вакуумной печи 460 нагревают, повышают давление и спекают пресс-форму 450. Соответственно, такая вакуумная печь 460 позволяет дополнительно обрабатывать пресс-форму 450 в атмосфере азота, азота/аргона, NaCl или определенной комбинации для поддержания образования химических связей между одностеночными углеродными нанотрубками и графеновыми пластинками. Образование химических связей между одностеночными углеродными нанотрубками и графеновыми пластинками может происходить в диапазоне температур от 750 градусов Цельсия до 950 градусов Цельсия. Соответственно, вакуумная печь 460 позволяет нагревать пресс-форму 450 до первой температуры, составляющей от 750 градусов Цельсия до 950 градусов Цельсия, для инициирования образования химических связей между углеродными нанотрубками и графеном.
В общепринятых методах спекания SiCN применяют нагрев при температуре примерно 1300 градусов Цельсия и давлении примерно 217 psi (примерно 1496 кПа). Однако окисление графена (и, таким образом, образование графита) может происходить при температурах выше 1000 градусов Цельсия и приводить к ухудшению свойств. Соответственно, для пресс-формы 450, содержащей смесь 420, в вакуумной печи 460 на пресс-форму 350 можно воздействовать повышенным давлением, чтобы вызвать спекание SiCN при температуре от 750 градусов Цельсия до 950 градусов Цельсия. Это позволяет обеспечить ковалентное превращение sp-2 углеродных связей между одностеночными углеродными нанотрубками и графеновыми пластинками при одновременном предотвращении окисления графена, которое в противном случае происходит при 1000 градусов Цельсия или более. Соответственно, после инициирования образования химических связей между углеродными нанотрубками и графеном при первой температуре, составляющей от 750 градусов Цельсия до 950 градусов Цельсия, в вакуумной печи 460 можно воздействовать на пресс-форму 350 повышенным давлением при второй температуре, которая выше первой температуры, чтобы вызвать спекание SiCN при температуре ниже 1000 градусов Цельсия. Чтобы сделать это, в вакуумной печи 460 можно, например, воздействовать на пресс-форму 350 повышенным давлением от 297 psi (примерно 2047 кПа) до 376 (примерно 2592 кПа), что приводит к спеканию SiCN в диапазоне от 750 градусов Цельсия до 950 градусов Цельсия, соответственно. Это обеспечивает ковалентное превращение sp2-углерода между графеновыми пластинками и одностеночными углеродными нанотрубками внутри спеченного SiCN (например, образование ковалентных С-С связей между слоями графена 230 и углеродными нанотрубками 220 внутри керамической матрицы 210). В результате получают CMC материал 102, содержащий керамическую матрицу 210 порошкообразного SiCN, углеродные нанотрубки 220 и графен 230, окисление которого было предотвращено, с улучшенными механическими, электрическими и электромагнитными свойствами, уже описанными выше.
Согласно одному из вариантов реализации в вакуумной печи 460 заготовку нагревают со скоростью от 1 до 14 градусов Цельсия с линейным возрастанием в течение времени, основанном на температуре спекания SiCN, применяемой для получения керамической матрицы 210 CMC материала 102. Например, если температуру спекания устанавливают равной 800 градусов Цельсия, одностеночные углеродные нанотрубки могут начать связываться с графеновыми пластинками при температуре около 750 градусов Цельсия и когда тепло возрастает до 800 градусов Цельсия может начаться истинное спекание. Соответственно, в вакуумной печи 460 можно применять 750 градусов Цельсия и 376 psi (примерно 2592 кПа) при скорости нагревания от 1 до 14 градусов Цельсия в течение от 1 до 13 часов с линейным возрастанием или, альтернативно, применять 950 градусов Цельсия и 297 psi (примерно 2047 кПа) при скорости нагревания от 1 до 14 Цельсия в течение от 1 до 16 часов с линейным возрастанием. После достижения максимальной температуры для полученной заготовки в вакуумной печи 460 можно поддерживать постоянную максимальную температуру в течение от 3 до 8 часов.
На стадии 410 пресс-форму 450 удаляют из матрицы 430 и подготавливают к установке. Например, при подготовке к нанесению краски края готового гибридного керамического материала можно отшлифовать песком и/или отрезать от панели таким образом, чтобы ее можно было установить надлежащим образом. В результате получают гибкий лист CMC материала 102, показанный на 412, который можно использовать для любого применения, в котором требуется керамический материал с усиленными свойствами прочности, гибкости, термостойкости и/или энергетического барьера.
Конкретное применение CMC материал 102 с высокими эксплуатационными характеристиками находит в производстве воздушных судов. Рассмотрим более подробно приведенные чертежи, варианты реализации настоящего изобретения могут быть описаны в контексте способа 500 производства и обслуживания воздушных судов, как показано на фиг. 5, и воздушного судна 502, как показано на фиг. 6. Во время предсерийного производства типичный способ 500 может включать спецификацию и проектирование 504 воздушного судна 502 и материальное снабжение 506. Во время производства происходит изготовление 508 компонентов и сборочных узлов и интеграция 510 систем воздушного судна 502. После этого воздушное судно 502 может пройти процедуру сертификации и доставки 512 для введения в эксплуатацию 514. При эксплуатации покупателем для воздушного судна 502 составляют график регулярного технического обеспечения и обслуживания 516 (который также может включать модификацию, перестройку, переоборудование и т.п.).
Каждый из указанных процессов предложенного способа 500 можно осуществить или выполнить с помощью системного интегратора, сторонней организации и/или оператора (например, покупателя). Для целей настоящего описания системный интегратор может без ограничения включать любое количество самолетостроительных предприятий и субподрядчиков для производства основных систем; сторонняя организация может без ограничения включать любое количество продавцов, субподрядчиков и поставщиков; и оператор может представлять собой авиакомпанию, лизинговую компанию, военные власти, организацию технического обслуживания и т.п.
Как показано на фиг. 6, воздушное судно 502, произведенное согласно типичному способу 500, может содержать корпус 518 с множеством систем 520 и внутреннюю часть 522. Примеры систем 520 высокого уровня включают одну или более силовую установку 524, электрическую систему 526, гидравлическую систему 528 и систему 530 жизнеобеспечения. Может быть включено любое количество других систем. Хотя приводится пример авиакосмической промышленности, принципы настоящего изобретения можно использовать и в других отраслях, таких как автомобильная промышленность.
Аппаратура и способы, реализованные в настоящем документе, могут быть использованы на любой одной или более стадий способа 500 производства и технического обслуживания. Поэтому на производственных стадиях 508 и 510 можно использовать один или более вариантов реализации аппаратуры, вариантов реализации способа или их комбинацию. Аналогичным образом, один или более вариантов реализации аппаратуры, вариантов реализации способа или их комбинацию можно использовать при эксплуатации воздушного судна 502, например и без ограничения, для технического обеспечения и обслуживания 516. Например, методы и системы, описанные в настоящем документе, можно использовать на стадиях 506, 508, 510, 514 и/или 516 и/или их можно использовать для корпуса 518 и/или внутренней части 522 или даже для любой из систем, выбранной из силовой установки 1924, электрической системы 1926, системы жизнеобеспечения 1930, гидравлической системы 1928, или для систем 1920 в целом.
Согласно одному из вариантов реализации CMC материал 102 включает часть корпуса 118 (например, часть композитной детали, применяемой в крыле воздушного судна) и производится во время изготовления 508 компонентов и сборочных узлов. При интеграции 510 систем CMC материал 102 можно смонтировать вместе с другими слоями с получением композитной детали для воздушного судна и затем его можно использовать при эксплуатации 514 до тех пор, пока износ не сделает эту деталь непригодной для применения. Далее на этапе технического обеспечения и обслуживания 516 такая деталь может быть отбракована и заменена на вновь изготовленную деталь, содержащую новый CMC материал 102.
Любой из различных элементов управления, показанных на фигурах или описанных в настоящем документе, может быть выполнен в виде аппаратного средства, программного обеспечения, программного обеспечения, зашитого в постоянном запоминающем устройстве, или определенной комбинации перечисленных элементов. Например, элемент может быть выполнен в виде выделенного аппаратного средства. Элементы выделенного аппаратного средства могут называться «процессорами», «контроллерами» или можно использовать похожую терминологию. Предоставленные процессором функциональные возможности можно обеспечить с помощью одного выделенного процессора, одного коллективно используемого процессора или с помощью множества отдельных процессоров, некоторые из которых могут находиться в коллективном использовании. Более того, явное применение термина «процессор» или «контроллер» не должно рассматриваться как относящееся исключительно к аппаратному средству, способному выполнять программы, и может косвенно включать, без ограничения, аппаратное средство в виде процессора цифровой обработки сигналов (DSP), сетевой процессор, специализированную заказную интегральную схему (ASIC) или другую схему, вентильную матрицу с эксплуатационным программированием (FPGA), постоянное запоминающее устройство (ROM) для хранения программного обеспечения, запоминающее устройство с произвольным доступом (RAM), энергонезависимое запоминающее устройство, логическую схему или компонент или модуль другого физического аппаратного средства.
Кроме того, элемент может быть выполнен в виде инструкций, исполняемых процессором или компьютером для осуществления функций указанного элемента. Некоторыми примерами инструкций являются программное обеспечение, программный код и программное обеспечение, зашитое в постоянном запоминающем устройстве. Указанные инструкции являются работающими, когда они выполняются процессором и приказывают процессору осуществлять функции данного элемента. Такие инструкции могут храниться в устройствах хранения данных, которые могут читаться процессором. Некоторыми примерами таких устройств хранения данных являются цифровые или твердотельные запоминающие устройства, запоминающие устройства на магнитном носителе, такие как магнитные диски и магнитные ленты, накопители на жестких дисках или оптически читаемые устройства цифрового хранения данных.
Кроме того, настоящее изобретение включает варианты реализации согласно следующим пунктам:
Пункт 1. Способ получения композиционной структуры с керамической матрицей, включающий:
обеспечение смеси углеродных нанотрубок, графена и карбонитрида кремния;
нагревание смеси для связывания углеродных нанотрубок и графена; и
спекание карбонитрида кремния в смеси.
Пункт 2. Способ по пункту 1, дополнительно включающий:
нагревание указанной смеси до первой температуры для инициирования образования химических связей между углеродными нанотрубками и графеном; и
повышение давления смеси во время ее нагревания при второй температуре для обеспечения спекания карбонитрида кремния в смеси при температуре ниже 1000 градусов Цельсия.
Пункт 3. Способ по пункту 2, согласно которому:
первая температура составляет от 750 градусов Цельсия до 950 градусов Цельсия;
вторая температура выше первой температуры;
спекание карбонитрида кремния в смеси осуществляют после нагревания до первой температуры, инициирующей образование химических связей между углеродными нанотрубками и графеном; и
повышение давления смеси осуществляют в диапазоне давлений от 297 psi (примерно 2047 кПа) до 376 (примерно 2592 кПа) для предотвращения окисления графена и образования графита, которое в противном случае происходит при 1000 градусов Цельсия или более.
Пункт 4. Способ по пункту 2, дополнительно включающий:
повышение давления смеси в автоклаве, в котором на указанную смесь воздействуют по меньшей мере одним веществом, выбранным из азота, азота/аргона или NaCl, для поддержания образования химических связей между углеродными нанотрубками и графеном.
Пункт 5. Способ по пункту 2, дополнительно включающий:
обеспечение суспензии для смеси для получения дисперсии;
перемешивание дисперсии;
разливку дисперсии в пресс-форму; и
горячее прессование пресс-формы с получением заготовки.
Пункт 6. Способ по пункту 5, дополнительно включающий:
перемешивание дисперсии с помощью вибрационного смесителя Turbula и ультразвукового преобразователя; и
горячее прессование пресс-формы при примерно 5000 psi (примерно 34473 кПа) и 250 градусов Цельсия в атмосфере азота с давлением примерно 1 атм. с получением заготовки;
при этом указанная суспензия содержит примерно 10% по массе PS4 и этанол.
Пункт 7. Способ по пункту 5, дополнительно включающий:
нагревание заготовки со скоростью от 1 до 14 градусов Цельсия в течение от 1 до 16 часов; и
поддержание постоянной максимальной температуры для заготовки в течение от 3 до 8 часов с получением композиционной структуры с керамической матрицей.
Пункт 8. Способ по пункту 7, дополнительно включающий:
установку композиционной структуры с керамической матрицей в качестве обшивки воздушного судна.
Пункт 9. Способ по пункту 1, согласно которому:
углеродные нанотрубки содержат одностеночные углеродные нанотрубки с длиной от 0,5 миллиметра до 4 миллиметров и диаметром от 1 нанометра до 50 нанометров, при этом количество углеродных нанотрубок в смеси составляет от 10 до 30% по массе;
графен содержит нанографеновые пластинки с размером, составляющим от 6 до 8 нм в толщину и от 5 до 25 мкм в ширину, при этом количество графена в смеси составляет от 10 до 30% по массе;
карбонитрид кремния содержит порошок с размерами частиц от 0,1 до 1 микрометра в диаметре, при этом количество карбонитрида кремния составляет от 60 до 80% по массе; и
общая масса углеродных нанотрубок и графена в указанной смеси составляет менее 40% по массе.
Пункт 10. Композиционный материал с керамической матрицей, содержащий: углеродные нанотрубки;
графен, химически связанный с углеродными нанотрубками; и
карбонитрид кремния, спеченный в смеси с углеродными нанотрубками и графеном.
Пункт 11. Композиционный материал с керамической матрицей по пункту 10, содержащий:
углеродные нанотрубки в количестве примерно 20% по массе;
графен в количестве примерно 20% по массе; и
карбонитрид кремния в порошковой форме в количестве примерно 60% по массе.
Пункт 12. Композиционный материал с керамической матрицей по пункту 10, содержащий:
углеродные нанотрубки в диапазоне от 10 до 30% по массе;
графен в диапазоне от 10 до 30% по массе; и
карбонитрид кремния в порошковой форме в диапазоне от 60 до 80% по массе;
при этом общая масса углеродных нанотрубок и графена в указанной смеси составляет менее 40% по массе.
Пункт 13. Композиционный материал с керамической матрицей по пункту 10, отличающийся тем, что:
композиционный материал с керамической матрицей составляет примерно 2,1 г/см3;
углеродные нанотрубки составляют примерно 0,42 г/см3;
графен составляет примерно 0,42 г/см3, и
карбонитрид кремния составляет примерно 1,26 г/см3.
Пункт 14. Композиционный материал с керамической матрицей по пункту 10, содержащий:
углеродные нанотрубки в диапазоне от 0,21 г/см3 до 0,63 г/см3;
графен в диапазоне от 0,21 г/см3 до 0,63 г/см3; и
карбонитрид кремния в диапазоне от 1,26 г/см3 до 1,68 г/см3;
при этом общая масса углеродных нанотрубок и графена составляет менее 40% по массе.
Пункт 15. Композиционный материал с керамической матрицей по пункту 10, отличающийся тем, что:
углеродные нанотрубки содержат одностеночные углеродные нанотрубки с длиной от 0,5 миллиметра до 4 миллиметров и диаметром от 1 нанометра до 50 нанометров.
Пункт 16. Композиционный материал с керамической матрицей по пункту 10, отличающийся тем, что:
графен содержит нанографеновые пластинки с размером, составляющим от 6 до 8 нм в толщину и от 5 до 25 мкм в ширину.
Пункт 17. Композиционный материал с керамической матрицей по пункту 1, отличающийся тем, что:
перед спеканием карбонитрид кремния содержит порошок с размерами частиц от 0,1 до 1 микрометра в диаметре.
Пункт 18. Композиционный материал с керамической матрицей по пункту 10, отличающийся тем, что:
углеродные нанотрубки и графен образуют химические связи при первой температуре, составляющей от 750 градусов Цельсия до 950 градусов Цельсия.
Пункт 19. Композиционный материал с керамической матрицей по пункту 18, отличающийся тем, что:
карбонитрид кремния спекают при второй температуре, которая выше первой температуры.
Пункт 20. Композиционный материал с керамической матрицей по пункту 19, отличающийся тем, что:
карбонитрид кремния спекают при давлении от 297 psi (примерно 2047 кПа) до 376 (примерно 2592 кПа).
Хотя в настоящем документе описаны конкретные варианты реализации, объем изобретения не ограничивается указанными конкретными вариантами реализации. Объем настоящего изобретения определяется приведенной ниже формулой изобретения и любыми ее эквивалентами.
1. Способ получения композиционной структуры с керамической матрицей, включающий:
обеспечение смеси углеродных нанотрубок, графена и карбонитрида кремния;
нагревание смеси для связывания углеродных нанотрубок и графена и
спекание карбонитрида кремния в смеси,
где температура в ходе спекания составляет ниже 1000 градусов Цельсия.
2. Способ по п. 1, дополнительно включающий:
нагревание указанной смеси до первой температуры для инициирования образования химических связей между углеродными нанотрубками и графеном и
повышение давления смеси в ходе ее нагревания при второй температуре с обеспечением спекания карбонитрида кремния в смеси при температуре ниже 1000 градусов Цельсия.
3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что:
первая температура составляет от 750 градусов Цельсия до 950 градусов Цельсия;
вторая температура выше первой температуры;
спекание карбонитрида кремния в смеси осуществляют после нагревания до первой температуры, инициирующей образование химических связей между углеродными нанотрубками и графеном и
повышение давления смеси осуществляют в диапазоне давлений от 297 psi (примерно 2047 кПа) до 376 psi (примерно 2592 кПа) для предотвращения окисления графена и образования графита, которое в противном случае происходит при 1000 градусов Цельсия или более.
4. Способ по п. 2, дополнительно включающий
повышение давления смеси в автоклаве, в котором на указанную смесь воздействуют по меньшей мере одним веществом, выбранным из азота, азота/аргона или NaCl, для поддержания образования химических связей между углеродными нанотрубками и графеном.
5. Способ по п. 2, дополнительно включающий:
обеспечение суспензии для смеси для получения дисперсии;
перемешивание дисперсии;
разливку дисперсии в пресс-форму и
горячее прессование пресс-формы с получением заготовки.
6. Способ по п. 5, дополнительно включающий:
перемешивание дисперсии с помощью вибрационного смесителя Turbula и ультразвукового преобразователя и
горячее прессование пресс-формы при примерно 5000 psi (примерно 34473 кПа) и 250 градусах Цельсия в атмосфере азота с давлением примерно 1 атм с получением заготовки;
при этом указанная суспензия содержит примерно 10% по массе PS4 и этанол.
7. Способ по п. 5, дополнительно включающий:
нагревание заготовки со скоростью от 1 до 14 градусов Цельсия в течение от 1 до 16 часов и
поддержание постоянной максимальной температуры для заготовки в течение от 3 до 8 часов с получением композиционной структуры с керамической матрицей.
8. Способ по п. 7, дополнительно включающий
установку композиционной структуры с керамической матрицей в качестве обшивки воздушного судна.
9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что:
углеродные нанотрубки содержат одностеночные углеродные нанотрубки с длиной от 0,5 миллиметра до 4 миллиметров и диаметром от 1 нанометра до 50 нанометров, при этом количество углеродных нанотрубок в смеси составляет от 10 до 30% по массе;
графен содержит нанографеновые пластинки с размером, составляющим от 6 до 8 нм в толщину и от 5 до 25 мкм в ширину, при этом количество графена в смеси составляет от 10 до 30% по массе;
карбонитрид кремния содержит порошок с размерами частиц от 0,1 до 1 микрометра в диаметре, при этом количество карбонитрида кремния составляет от 60 до 80% по массе; и
общая масса углеродных нанотрубок и графена в указанной смеси составляет менее 40% по массе.
10. Композиционный материал с керамической матрицей из карбонитрида кремния, спеченного с углеродными нанотрубками и графеном.
11. Композиционный материал по п. 10, содержащий:
углеродные нанотрубки в количестве примерно 20% по массе;
графен в количестве примерно 20% по массе и
карбонитрид кремния в порошковой форме в количестве примерно 60% по массе.
12. Композиционный материал по п. 10, содержащий:
углеродные нанотрубки в диапазоне от 10 до 30% по массе;
графен в диапазоне от 10 до 30% по массе и
карбонитрид кремния в порошковой форме в диапазоне от 60 до 80% по массе;
при этом общая масса углеродных нанотрубок и графена в указанной смеси составляет менее 40% по массе.
13. Композиционный материал по п. 10, отличающийся тем, что
углеродные нанотрубки содержат одностеночные углеродные нанотрубки с длиной от 0,5 миллиметра до 4 миллиметров и диаметром от 1 нанометра до 50 нанометров.
14. Композиционный материал по п. 10, отличающийся тем, что
графен содержит нанографеновые пластинки с размером, составляющим от 6 до 8 нм в толщину и от 5 до 25 мкм в ширину.
15. Композиционный материал по п. 10, отличающийся тем, что:
перед спеканием карбонитрид кремния содержит порошок с размерами частиц от 0,1 до 1 микрометра в диаметре.
16. Композиционный материал по п. 10, отличающийся тем, что
углеродные нанотрубки и графен образуют химические связи при первой температуре, составляющей от 750 градусов Цельсия до 950 градусов Цельсия.
17. Композиционный материал по п. 16, отличающийся тем, что
карбонитрид кремния спекают при второй температуре, которая выше первой температуры.
18. Композиционный материал по п. 17, отличающийся тем, что
карбонитрид кремния спекают при давлении от 297 psi (примерно 2047 кПа) до 376 (примерно 2592 кПа).
