Газофазный способ получения углеродной матрицы
При получении УУКМ по способу осаждения пироуглерода из газовой фазы газообразный углеводород (метан, бензол, ацетилен и т. д.) или смесь углеводорода и разбавляющего газа (инертный газ или водород) диффундирует через углеволокнистый пористый каркас, где под действием высокой температуры происходит разложение углеводорода на нагретой поверхности волокна. Осаждающийся пироуглерод постепенно создает соединительные мостики между волокнами. Кинетика осаждения и структура получаемого пироуглерода зависят от многих факторов: температуры, скорости потока газа, давления, реакционного объема и др.
При изотермическом методе заготовка находится в равномерно обогреваемой камере. Равномерность обогрева в индукционной печи обеспечивается с помощью тепловыделяющего элемента – сусцептора, изготавливаемого из графита. Углеводородный газ подается через днище печи и диффундирует через реакционный объем и заготовку; газообразные продукты реакции удаляются через выходное отверстие в крышке печи. Процесс производится обычно при температуре 900 – 1150 0 С и давлении 130–2000 кПа. Уменьшение температуры приводит к снижению скорости осаждения и чрезмерному удлинению продолжительности процесса. Увеличение температуры ускоряет осаждение пироуглерода, но при этом газ не успевает диффундировать в объем заготовки и происходит поверхностное наслоение пироуглерода. Продолжительность процесса достигает сотен часов. Изотермический метод обычно применяется для изготовления тонкостенных деталей, поскольку в этом случае заполняются преимущественно поры, находящиеся у поверхности изделия [1].
Метод импульсного осаждения в режиме давление – вакуум
В этом процессе реакционный объем попеременно заполняется углеводородным газом на несколько секунд и вакуумируется, в то время как температура заготовки с помощью индукционного нагрева поднимается от 800 до 1000 0 С. Этот метод наиболее выгоден для объемного уплотнения изделий пироуглеродом. Хотя процесс затрудняется поверхностным осаждением пироуглерода, однако путем оптимального выбора температуры и времени осаждения удается достичь глубинного уплотнения углеродного изделия и снизить его газопроницаемость.
Для объемного насыщения пор и получения толстостенных изделий применяется метод температурного градиента, заключающийся в создании в заготовке температурного градиента путем помещения ее на обогреваемую оправку или сердечник или прямым разогревом ее током. Углеводородный газ подается со стороны, имеющей более низкую температуру. Давление в печи обычно равно атмосферному. В результате осаждение пироуглерода происходит в наиболее горячей зоне. Охлаждающее действие газа, протекающего над поверхностью с высокой скоростью, является основным способом достижения температурного градиента. Повышение плотности и теплопроводности композита приводит к перемещению температурного фронта осаждения, что обеспечивает в конечном итоге объемное уплотнение материала и получение изделий с высокой плотностью 1700—1800 кг/м 3 [3].
При осаждении пироуглерода по методу перепада давления газ через заготовку (каркас) пропускается принудительно под давлением. Возникающий по толщине градиент давления зависит от проницаемости каркаса. По мере осаждения пироуглерода проницаемость снижается, что приводит к замедлению инфильтрации газа. Этим методом лучше уплотняются изделия с низкой проницаемостью. Метод технически весьма сложен, а получаемые результаты плохо воспроизводимы, поэтому метод не нашел широкого применения в промышленности.
Высокотемпературная термообработка (графитация) УУКМ
В ходе процесса получения УУКМ в них могут возникать внутренние напряжения, способные привести к деформациям и искажениям структуры изделия при эксплуатации этих материалов при температуре выше температуры карбонизации или осаждения пироуглерода. Поэтому при необходимости получения более термостабильного материала проводят его высокотемпературную обработку. Конечная температура термообработки определяется условиями эксплуатации. Термообработка проводится в индукционных печах или печах сопротивления в неокисляющей среде (графитовая засыпка, вакуум, инертный газ).
Длительность этих процессов невелика и степень превращения определяется в основном температурой. Поэтому длительность процессов высокотемпературной термообработки значительно меньше, чем в случае карбонизации или осаждения пироуглерода, и составляет обычно несколько часов. При высокотемпературной термообработке карбонизованных пластиков происходят необратимые деформации изделия, постепенное «залечивание» дефектов структуры и удаление гетероатомов. Для хорошо графитируемых материалов на основе пеков при температурах свыше 2200 0 С наблюдается интенсивный рост трехмерноупорядоченных углеродных кристаллитов вплоть до перехода к графитовой структуре. В то же время в карбонизованных пластиках на основе плохо графитирующихся полимерных связующих дефекты структуры сохраняются до 3000 0 С и материал остается в неграфитированной турбостратной структурной форме.[6]
Окисление УУКМ
Если в неокисляющей среде механические характеристики УУКМ сохраняются вплоть до 1700 0 С и выше, то на воздухе они выдерживают лишь кратковременный высокотемпературный нагрев, при длительном же воздействии вследствие окисления углерода характеристики УУКМ резко снижаются. При выяснении механизма окисления с целью повышения окислительной стойкости УУКМ установлено, что суммарная скорость гетерогенных реакций углерода с газами в отсутствие катализирующих примесей определяется соотношением скоростей следующих стадий процесса:
— диффузией реагирующего газа и продуктов реакции из газового объема к поверхности углерода;
— диффузией реагирующего газа от наружной поверхности к активным участкам внутри образца и переносом продуктов реакции в обратном направлении;
-хемосорбцией молекул реагирующего газа на поверхности и десорбцией продуктов.
Окисление углерода начинается в первую очередь на активных центрах, какими могут являться кромки базисных углеродных слоев, дефекты решетки или дислокации. На процесс окисления большое влияние могут оказать примеси, например следы переходных металлов или их оксидов. Элементы, входящие в состав примесей, могут оказывать как ускоряющее действие на окисление углерода, так и замедляющее [7].
Пористость УУКМ и характер распределения пор также влияют на скорость окисления. Если лимитирующей стадией окисления является диффузия в порах, то с уменьшением соотношения радиуса пор и их длины энергия активации процесса снижается. Высокая пористость способствует ускоренному окислению композита.
Таким образом, повышению окислительной стойкости УУКМ способствуют применение хорошо графитирующейся матрицы, повышение плотности, конечной температуры обработки, снижение содержания катализирующих окислов примесей. Поскольку окисление углерода начинается уже при 350 – 450 0 С то для увеличения предельной температуры эксплуатации УУКМ в окислительных газовых средах необходимо использовать различные способы защиты композита от окисления. Например, известно, что фосфаты и бораты замедляют процесс окисления искусственных углеродов. Особенно эффективна пропитка фосфатом цинка, который снижает скорость окисления в 20 раз. Антиокислитильное действие фосфатов и боратов связано, возможно, с блокированием ими активных центров на поверхности углерода.
С целью защиты УУКМ от окисления возможно нанесение барьерных защитных покрытий, таких, как карбиды, силициды, а также пироуглерод.
Защитное действие покрытий, например карбида кремния, эффективно лишь на начальной стадии окисления. Если вначале скорость окисления УУКМ с покрытием очень мала по сравнению с немодифицированным УУКМ, то с течением времени она вновь возрастает до значения, характерного для исходного УУКМ. Это связано с возникновением температурных напряжений в слое карбида кремния при нагреве, приводящих к разрыву покрытия и быстрому окислению УУКМ.
Для эффективной защиты УУКМ от окисления покрытия должны удовлетворять следующим требованиям:
-иметь высокую температуру плавления и разложения; низкое давление паров;
— быть по возможности плотными, бес пористыми;
— при окислении образовывать тонкую оксидную пленку, препятствующую дальнейшему проникновению окисляющего газа внутрь изделия;
-не вступать в реакции с углеродом;
— значения температурных коэффициентов линейного расширения защитного слоя и УУКМ не должны сильно отличаться, чтобы не произошло разрыва или смещения покрытия;
— иметь хорошую адгезию к углеродному материалу [8].
Дата добавления: 2019-07-15 ; просмотров: 630 ; Мы поможем в написании вашей работы!
Источник
13.2.2. Методы получения и области применения уукм
Изделия из однонаправлено-, перекрестно- и хаотически армированных углерод-углеродных композитов получают карбонизацией углепластиков при температуре около 1000° С или уплотнением пористой углеродной матрицы с помощью повторяющихся процессов пропитки волокон термореактивными смолами с последующей карбонизацией.
Основные методы получения углерод-углеродного композита включают высокотемпературную обработку углепластиков и нанесение на углеродный волокнистый наполнитель пироуглерода, образующегося при разложении углеводородов. Существуют жидкофазный, газофазный и комбинированный способы получения УУКМ.
Жидкофазный метод включает пропитку исходных армирующих углеродных каркасов специальным, например, фенолформальдегидным связующим (пеками или другими высокоуглеродсодержащими органическими смолами), которое отверждают, а. затем карбонизуют при высокой температуре (2000°С и выше). Так как при этом материал становится пористым, его еще раз пропитывают связующим и опять карбонизуют. Эту операцию повторяют несколько раз. Другой способ — газофазный, включает химическое осаждение пироуглерода из газовой фазы на армирующий каркас при высоких температурах давлениях. Перспективен и комбинированный метод, суть которого заключается в жидкофазной пропитке или газофазном уплотнении армирующего каркаса пироуглеродом с последующим доуплотнением газофазным или жидкофазным способами до получения необходимых: свойств. Полученный материал может работать при температурах до 3000°С, если его поверхность защитить от окисления.
Первые стадии производства углерод-углеродного композита аналогичны изготовлению композита с полимерной матрицей. Углеродные волокна пропитывают фенолформальдегидной смолой, т.е. термореактивной смолой. Затем соответствующим образом собранные и пропитанные смолой волокна нагревают в инертной атмосфере. При этом происходит пиролиз смолы (обугливание, аналогичное процессу превращения дерева в древесный уголь) и остается углерод. Полученный композит снова под давлением пропитывают смолой и подвергают пиролизу. В результате многократного повторения процесса образуется прочный материал с минимальным числом внутренних пустот.
Уникальные свойства УУКМ — высокая температуростойкость в сочетании с малой плотностью, высокими прочностью и модулем упругости, стойкостью к тепловому удару, а также способностью устойчиво
работать при температурах до 773К в окислительной среде и до 3273К в инертной среде и вакууме обусловили их широкое применение. Области применения углерод-углеродных композитов чрезвычайно разнообразны: авиация и космонавтика, металлургия, машиностроение, реакторостроение, медицина и др.
Из УУКМ делают носовые обтекатели ракет, детали скоростных самолетов, подвергающиеся максимальным аэродинамическим нагрузкам, сопла ракетных двигателей и др.
Пресс-формы для горячего прессования тугоплавких металлов и сплавов из УУКМ обладают высокой прочностью (в 5 — 10 раз выше, чем v графита), термостабильностью, высоким сопротивлением к термическому удару, малой массой, химической инертностью, способностью быстро охлаждаться и более длительным сроком эксплуатации.
Подшипники скольжения на основе графитов, обладают малым коэффициентом трения, высокими теплопроводностью и стойкостью в агрессивных средах. Особенно эффективно их применение в узлах трения, где другие антифрикционные материалы, требующие смазки, не работают из-за высоких или низких температур и агрессивности среды.
Углерод-углеродные композиты обладают высокой радиационной стойкостью. Поскольку они по своим прочностным характеристикам превосходят все известные марки реакторных графитов, представляется перспективным их применение для узлов активной зоны высокотемпературных газоохлаждаемых реакторов. Их применение позволяет значительно повысить надежность работы реактора.
Нагревательные элементы из УУКМ могут применяться в высокотемпературных вакуумных печах или печах с инертной атмосферой при температурах до 3000°С.
Углерод-углеродные композиты широко используют в медицине для изготовления армирующих пластинок для соединения костей при переломах, изготовления сердечных клапанов, имплантации зубов. Эти материалы характеризуются биосовместимостью с тканями человека, прочностью, гибкостью, легкостью. Они отлично приживаются, не давая нежелательных реакций. Например, стержни тазобедренных суставов из УУКМ, разработанные в Германии, обладают высокой усталостной прочностью и заданной деформацией. Французская фирма СЕМ выпускает композиты сложного состава: УУКМ+керамика («биокарб»), сочета-ющие биологические свойства углерода, биомеханические и трибологические свойства керамики для изготовления зубных протезов.
Источник
Углерод-углеродный композиционный материал и способ изготовления из него изделий
Владельцы патента RU 2667403:
Изобретение относится к области получения углерод-углеродных композиционных материалов (УУКМ) и изготовления изделий из них, в частности УУКМ на основе дискретных по длине армирующих углеродных волокон и коксопироуглеродной матрицы. УУКМ содержит армирующий наполнитель, выполненный из иглопробивного материала, состоящего из фрагментированных по толщине, вплоть до филаментов, дискретных по длине углеродных волокон, при этом пироуглерод в коксопироуглеродной матрице равномерно распределен по объему материала. Способ получения УУКМ включает разрезку углеродных волокон по длине, их фрагментацию по толщине вплоть до образования филаментов, формирование мата и его иглопробивание, пропитку коксообразующим связующим, формование углепластиковой заготовки, ее карбонизацию и насыщение пироуглеродом из газовой фазы термоградиентным методом. Изобретение позволяет получить УУКМ и изделия из него, в том числе толстостенные, имеющие высокую равномерность свойств по объему, а также повышенный уровень прочностных характеристик без существенного увеличения затрат на изготовление. 2 н.п. ф-лы, 1 табл., 2 пр.
Изобретение относится к области получения углерод-углеродных композиционных материалов и изготовления изделий из них.
Известен способ изготовления изделий из УУКМ, включающий формирование каркаса ткано-прошивной структуры, пропитку его коксообразующим связующим, формование углепластиковой заготовки, ее карбонизацию и насыщение пироуглеродом [Бутырин Г.М., Колесников С.А. Изменение пористой структуры и свойств композиционного углеродного материала «Граурис» на основных переделах технологии // 2011. №6. — с. 42-49]. В соответствии с указанным источником информации насыщение карбонизованного углепластика пироуглеродом производят вакуумным изотермическим методом.
Недостатком способа является сравнительно высокая неравномерность свойств материала толстостенных изделий из-за недостаточно равномерной пропитки каркаса коксообразующим связующим и образования поверхностной корочки при насыщении карбонизованного углепластика пироуглеродом вакуумным изотермическим методом.
Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому эффекту является способ изготовления изделий из УУКМ, включающий разрезку углеродных волокон по длине, формирование из них мата, его иглопробивание, пропитку коксообразующим связующим, формование углепластиковой заготовки, ее карбонизацию и насыщение пироуглеродом из газовой фазы [пат.US 5654059, кл. В32В 5/06, опубл. 05.08.1997].
Способ позволяет несколько увеличить равномерность свойств по объему материала сравнительно малогабаритных и простых по форме изделий благодаря более мелкопористой структуре армирующего наполнителя и более равномерной пропитке армирующего наполнителя коксообразующим связующим.
И тем не менее неравномерность свойств по объему материала изделий сохраняется; прежде всего это относится к толстостенным изделиям. Обусловлено это наличием в структуре сравнительно большого количества не фрагментированных до филаментов углеродных волокон, что закладывается еще на стадии формирования каркаса иглопробивным методом. Ситуация усугубляется, если иглопробиванию подвергается пакет из дискретных по длине углеродных волокон, которые являются отходами при изготовлении каркасов других структур и поэтому имеют крутку, а также наличие на их поверхности аппретов. Вызвано это тем, что наличие крутки волокон и аппретов на их поверхности затрудняет их распад на филаменты в процессе иглопробивания пакета (мата).
Неравномерность свойств по объему материала обусловлена также тем, что иглопробиванию подвергается пакет (мат) из дискретных по длине волокон, недостаточно равномерно распределенных по объему, а само по себе иглопробивание такого мата не может полностью устранить указанную неравномерность распределения волокон. Это приводит к образованию в каркасе пор, существенно отличающихся по размерам, и чем толще исходный для иглопробивания пакет, тем существеннее это проявляется. Ситуация усугубляется, если формируется каркас крупногабаритного и сложнопрофильного изделия.
Неравномерность свойств по объему материала обусловлена также образованием поверхностной корочки при насыщении карбонизованного углепластика пироуглеродом вакуумным изотермическим методом, в результате чего глубинные слои материала оказываются недоуплотненными пироуглеродом; кроме того, при иглопробивании пакета (мата) из дискретных углеродных волокон происходит их частичное травмирование из-за большого сопротивления с их стороны прокалыванию.
Следствием частичного травмирования углеродных волокон и неполного уплотнения пироуглеродом глубинных слоев материала является снижение его прочностных характеристик.
Еще одним недостатком способа является сложность или даже невозможность его использования при изготовлении крупногабаритных и сложнопрофильных изделий из-за трудности или невозможности формирования каркаса иглопробивной структуры.
Известен углерод-углеродный композиционный материал (УУКМ), содержащий армирующий наполнитель в виде слоев углеродной ткани, прошитых углеродной нитью, и коксопироуглеродную матрицу [Бутырин Г.М., Колесников С.А. Изменение пористой структуры и свойств композиционного углеродного материала «Граурис» на основных переделах технологии// Новые промышленные технологии. 2011. №6, — с. 42-49].
Недостатком материала является сравнительно высокая неравномерность свойств по его объему, что обусловлено неравномерным распределением кокса из-за неравномерной пропитки армирующего наполнителя объемной структуры коксообразующим связующим. Прежде всего, это относится к сравнительно толстостенным изделиям.
Наиболее близким к заявляемому материалу по технической сущности и достигаемому эффекту является УУКМ, содержащий армирующий наполнитель иглопробивной структуры из дискретных по длине углеродных волокон, часть из которых фрагментирована по толщине, вплоть до размеров филаментов, и углеродную матрицу [пат.US 5654059, кл. В32В 5/06, опубл. 05.08.1997]. В соответствии с ним углеродная матрица представляет собой кокс или пироуглерод.
Материал имеет более равномерные свойства по его объему благодаря более равномерному распределению в нем компонентов.
Однако, равномерность свойств УУКМ была бы еще выше, если бы углеродные волокна каркаса были более равномерно распределены по объему материала, а каркас из армирующего наполнителя имел более мелкие и более близкие по размерам поры, и они достаточно полно и равномерно были бы заполнены матричным материалом.
Задачей изобретения является повышение равномерности распределения свойств по объему материала изделий, в том числе толстостенных, крупногабаритных и сложнопрофильных, а также повышение уровня прочностных характеристик материала без существенного повышения стоимости изготовления изделий.
Изобретения настолько взаимосвязаны, что образуют единый изобретательский замысел. Изобретен новый способ изготовления изделий из УУКМ и новый УУКМ, получаемый новым способом, что свидетельствует о соблюдении требований единства изобретений.
Поставленная задача решается за счет того, что в способе изготовления изделий из УУКМ, включающем разрезку углеродных волокон по длине, формирование из них мата, его иглопробивание, пропитку коксообразующим связующим, формование углепластиковой заготовки, ее карбонизацию и насыщение пироуглеродом из газовой фазы, в соответствии с заявляемым техническим решением, перед формированием мата и его иглопробиванием, нарезанные по длине углеродные волокна подвергают дополнительной фрагментации по толщине, вплоть до образования филаментов, а насыщение пироуглеродом проводят термоградиентным методом.
То, что перед формированием мата и его иглопробиванием нарезанные по длине углеродные волокна подвергаются дополнительной фрагментации по толщине, вплоть до образования филаментов, позволяет более равномерно распределить волокна в армирующем наполнителе объемной структуры и уменьшить размеры его пор, выровнять их по величине. В совокупности с пропиткой армирующего наполнителя (каркаса) коксообразующим связующим рассматриваемый признак создает предпосылки для равномерного распределения полимерного связующего в углепластиковой заготовке, а после ее карбонизации — равномерного распределения кокса. В совокупности с формованием углепластиковой заготовки рассматриваемый признак обеспечивает дополнительное уменьшение размеров пор, образованных волокнами, за счет увеличения содержания в материале волокон, обусловленного упрессовкой каркаса. Благодаря малому размеру пор в карбонизованном углепластике и равномерному распределению в них кокса облегчается равномерное заполнение их пироуглеродом.
Проведение операции насыщения карбонизованного углепластика пироуглеродом термоградиентным методом обеспечивает наиболее полное заполнение им (пироуглеродом) пор вне зависимости от толщины заготовки и как следствие — равномерное распределение пироуглерода по объему материала. Кроме того, сокращается цикл и затраты на операцию насыщения пироуглеродом, т.к. в сравнении с изотермическим методом термоградиентный метод является менее длительным и энергоемким. Тем самым компенсируются затраты связанные с операцией предварительной (перед формированием мата) фрагментации углеродных волокон по толщине.
В новой совокупности существенных признаков у объекта изобретения появляется новое свойство: способность обеспечить в материале даже толстостенных, крупногабаритных и сложнопрофильных изделий равномерное распределение компонентов, а также наиболее полное заполнение пор армирующего наполнителя коксопироуглеродной матрицей и при этом компенсировать затраты на операцию фрагментирования волокон по толщине за счет снижения затрат на насыщение заготовки пироуглеродом.
Благодаря новому свойству решается поставленная задача, а именно: повышается равномерность свойств по объему материала изделий, в том числе толстостенных, крупногабаритных и сложнопрофильных, а также повышается уровень прочностных характеристик материала изделий без существенного увеличения затрат на их изготовление.
Поставленная задача решается также за счет того, что УУКМ, содержащий армирующий наполнитель иглопробивной структуры из дискретных по длине углеродных волокон, часть из которых фрагментирована по толщине, вплоть до размеров филаментов, и углеродную матрицу, в соответствии с заявляемым техническим решением он получен заявляемым способом и в нем большая часть волокон представляет собой фрагментированные, вплоть до филаментов волокна, а углеродная матрица выполнена коксопироуглеродной, в которой пироуглерод равномерно распределен по объему материала.
Получение УУКМ заявляемым способом и выполнение в нем армирующего наполнителя из иглопробивного материала на основе дискретных по длине углеродных волокон, большая часть которых представляет собой фрагментированные, вплоть до филаментов волокна, позволяет достаточно равномерно распределить углеродные волокна по объему материала, а также уменьшить размеры заполняемых матричным материалом пор, выровнять их, к тому же, по величине. В свою очередь это обеспечивает равномерное по объему материала и более полное заполнение пор коксом и создает предпосылки для равномерного и более полного заполнения пор пироуглеродом (в сравнении с чисто коксовой матрицей) или позволяет уменьшить размеры пор УУКМ (в сравнении с чисто пироуглеродной матрицей).
Выполнение углеродной матрицы в виде коксопироуглеродной, с одной стороны, обеспечивает возможность увеличения содержания армирующего наполнителя наиболее простым способом, с другой стороны, позволяет минимизировать количество операций при формировании матрицы за счет частичной замены операции пропитки коксообразующим связующим и карбонизации на насыщение пироуглеродом.
Равномерное по объему материала распределение пироуглерода в коксопироуглеродной матрице завершает процесс равномерного распределения компонентов по объему материала заготовки.
В новой совокупности существенных признаков у объекта изобретения появляется новое свойство: равномерное распределение компонентов материала по его объему и достаточно высокая плотность при достаточно высоком содержании армирующего наполнителя.
Благодаря новому свойству решается поставленная задача, а именно: повышается равномерность свойств по объему материала изделий, в том числе толстостенных, а также повышается уровень прочностных характеристик материала изделий и создаются предпосылки для получения его без усложнения технологии.
Заявленный УУКМ содержит армирующий наполнитель в виде дискретных по длине углеродных волокон и углеродную матрицу.
Армирующий наполнитель выполнен иглопробивной структуры из дискретных по длине углеродных волокон. Большая часть углеродных волокон представляет собой фрагментированные, вплоть до филаментов, волокна (о высокой степени фрагментации углеродных волокон по толщине свидетельствуют результаты микроструктурных исследований, приведенные на рис. 1-3).Углеродная матрица в УУКМ выполнена коксопироуглеродной. Пироуглерод в коксопироуглеродной матрице равномерно распределен по объему материала. УУКМ получен ниже описанным способом.
Способ включает разрезку углеродных волокон по длине, формирование из них мата, его иглопробивание, пропитку коксообразующим связующим, формирование углепластиковой заготовки, ее карбонизацию и насыщение пироуглеродом из газовой фазы. Причем перед формированием мата и его иглопробиванием нарезанные по длине углеродные волокна подвергают дополнительной фрагментации по толщине, вплоть до образования филаментов, а насыщение пироуглеродом проводят термоградиентным методом.
Способ изготовления изделий из заявляемого УУКМ с указанием его основных свойств, свидетельствующих об их равномерности по объему материала, поясняется примерами конкретного выполнения.
Во всех примерах изготавливаемое изделие представляло собой пластину размером 150×200×30 мм.
Наработали иглопробивной материал (ИПМ) на основе дискретных по длине и фрагментированных по толщине, вплоть до филаментов, высокомодульных углеродных волокон марки УКН-5000. Плотность его составила
0,15 г/см 3 , а толщина 140 мм. Наработку произвели на специально разработанной конвейерной линии, включающей чесальную машину, перфорированный находящийся под разряжением барабан для формирования на нем полотна из фрагментированных по толщине и дискретных по длине углеродных волокон, приемный барабан и иглопробивной механизм. Из полотен путем выкладки на основании иглопробивного механизма сформировали мат, который подвергли иглопробиванию. Иглопробивной материал пропитали коксообразующим связующим, в качестве которого использовали раствор жидкого бакелита марки БЖ-3 в изопропиловом спирте условной вязкости
60 сек. Затем сформовали углепластиковую заготовку под давлением 6 кгс/см 2 при конечной температуре 160°С. В результате упрессовки ИПМ толщина углепластиковой заготовки составила
30 мм. Углепластиковую заготовку карбонизовали в среде азота при конечной температуре 850°С. Затем заготовку из карбонизованного пластика насытили пироуглеродом термоградиентным методом при передвижении зоны пиролиза с температурой в зоне 940-980°С со скоростью 0,25 мм/ч. Основные свойства УУКМ на переделах приведены в таблице.
Изделие изготовили аналогично примеру 1 с тем существенным отличием, что иглопробивной материал наработали из низкомодульных углеродных волокон марки УРАЛ. Основные свойства полученного УУКМ приведены в таблице.
На основе данных таблицы можно сделать следующий вывод:
Изготовление изделий заявленным способом позволяет обеспечить равномерность физико-химических свойств в объеме материала толстостенного изделия. В свою очередь достаточно высокая равномерность плотности материала по толщине изделия свидетельствует о достаточно равномерном распределении в нем пироуглерода.
1. Способ изготовления изделий из углерод-углеродного композиционного материала (УУКМ), включающий разрезку углеродных волокон по длине, формирование из них мата, его иглопробивание, пропитку коксообразующим связующим, формование углепластиковой заготовки, ее карбонизацию и насыщение пироуглеродом из газовой фазы, отличающийся тем, что перед формированием мата и его иглопробиванием нарезанные по длине углеродные волокна подвергают дополнительной фрагментации по толщине, вплоть до образования филаментов, а насыщение пироуглеродом проводят термоградиентным методом.
2. УУКМ, содержащий армирующий наполнитель иглопробивной структуры из дискретных по длине углеродных волокон, часть из которых фрагментирована по толщине, вплоть до размеров филаментов, и углеродную матрицу, отличающийся тем, что он получен способом по п. 1 и в нем большая часть волокон представляет собой фрагментированные, вплоть до филаментов, волокна, а углеродная матрица выполнена коксопироуглеродной, в которой пироуглерод равномерно распределен по объему материала.
Источник
