СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КЕРАМИЧЕСКИХ ВОЛОКОН Российский патент 1997 года по МПК C04B35/653 C03B37/04 

Изобретение относится к производству изделий из композиционных материалов, в частности к способу получения керамических волокон с использованием лазерного излучения, и может быть использовано при производстве металлических волокон.

Известен ряд способов получения волокон путем сгущения коллоидных растворов из сложных смесей из золей солей и металлорганических соединений с последующим продавливанием через фильеры.

Известны также способы получения керамических волокон, заключающиеся в вытягивании монокристалла из расплава, путем экструзии полимерных растворов, золей и суспензий, химических осаждений (1, 2).

Эти способы обладают малой производительностью, низкой экологической чистотой и не могут быть использованы при производстве непрерывных волокон из тугоплавких материалов.

Наиболее близким к заявляемому по технической сущности является способ получения волокон путем извлечения (экстракции) из расплава и мгновенно затвердевающего на быстроперемещающейся кромке диска, приходящего в контакт с поверхностью расплава, принятый авторами за прототип (3).

Этот способ обладает тем недостатком, что получаемые волокна имеют произвольную форму и сравнительно большие размеры в поперечном сечении, что не обеспечивает их высоких прочностных свойств, и поэтому они имеют малую длину (до 20 мм).

Причиной этого обстоятельства является тот факт, что радиус кривизны кромки диска-кристаллизатора (r_кр) в поперечном его сечении превышает радиус поперечного сечения волокна (r_в):
r_кр≥r_в (1)
Неровности поверхности кромки диска-кристаллизатора также создают на поверхности образующегося волокна соответствующие отпечатки концентраторы напряжений, снижающие прочностные свойства волокон и не позволяющие получать непрерывное керамическое волокно.

Изобретение позволяет получать непрерывные керамические волокна за счет повышения их прочностных свойств.

Предлагаемый способ получения керамических волокон, включающий расплавление заготовки концентрированными потоками энергии, экстракцию из образовавшейся капли расплава вращающимся диском-кристаллизатором тонкого волокна и кристаллизацию волокна на поверхности кромки диска-кристаллизатора, отличается тем, что радиус кривизны кромки диска-кристаллизатора выбирают из условия:

где r_кр радиус кривизны кромки диска-кристаллизатора;
R₃ радиус заготовки;
V₁ скорость подачи заготовки;
n угловая скорость вращения диска-кристаллизатора;
R_д радиус диска-кристаллизатора;
Математическое выражение, устанавливающее соотношение между параметрами процесса экстракции, выводится из условий равенства объемов материала заготовки и объема получаемого волокна, а также условия соизмеримости радиусов кривизны кромки диска-кристаллизатора и радиуса сечения получаемого волокна:

где r_в радиус волокна,
V₂ линейная скорость кромки диска-кристаллизатора.

Находя из уравнения (1) выражение для r_в и подставляя в неравенство (2), получаем:
.

При этом шероховатость кромки диска-кристаллизатора выполняется по 12-му классу. Усилие для вытягивания (экстракции) волокна из капли расплава обеспечивается силами Ван-дер-Ваальса, которые имеют место при соприкосновении жидкой капли расплава с металлическим диском-кристаллизатором.

На чертеже представлена схема экстракции керамических волокон заявляемым способом: а) вид сбоку; б) поперечное сечение волокна.

Способ может быть реализован с помощью устройства экстракции волокон, содержащего диск-кристаллизатор 1 с радиусом R_д, вращающийся с угловой скоростью n₁. Сверху на кромку диска 1 подается со скоростью V₁ цилиндрическая заготовка 2 радиусом R₃, вращающая вокруг своей оси с угловой скоростью n₂. На свободный конец заготовки направляется поток инфракрасного излучения CO₂- лазера мощностью до 5 кВт. Кромкой 1 диска 1 радиусом r_кр из капли расплава вытягивается волокно (поз. 3) радиусом r_в, которое сматывается в бухту или наматывается на бобину.

Данный способ был опробован при экстракции керамических волокон из состава на основе диоксида циркония при следующих параметрах процесса:
Мощность излучения CO₂-лазера, кВт 1,05
Угловая скорость вращения диска-кристаллизатора, об/мин 150
Радиус диска-кристаллизатора, м 0,110
Радиус кривизны кромки диска-кристаллизатора, м 3•10⁵
Радиус заготовки, м 6•10⁵
Скорость подачи заготовки, м/с 4,4•10^-5
Диаметр фокусного пятна, м 6•10^-3
Сечение волокна, полученного известным способом, имеет форму полумесяца. По контуру сечения наблюдаются трещины, несплошности и другие дефекты, являющиеся концентраторами напряжений при нагрузках. Толщина волокна равна 110 мкм.

Керамические волокна, полученные предлагаемым способом, имеют округлую форму в сечении, без видимых дефектов. Диаметр волокна 10-30 мкм.

За счет снижения толщины (диаметра) получаемого волокна улучшаются условия охлаждения, а увеличение скорости охлаждения улучшает микроструктуру волокна и как следствие его прочностные свойства. Величина σ_в для волокна, получаемого предлагаемым способом, увеличилась в 3-5 раз и составила значение σ_в 2,6 ГПа. Появилась возможность получать непрерывное волокно.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет повысить качество экстрагируемых волокон и создавать непрерывное волокно.

Полученные таким способом керамические волокна на основе Z₂O₂ использовались как армирующие элементы в высокотемпературных изоляционных материалах. Непрерывные керамические волокна определенного состава могут использоваться как гибкие высокотемпературные сверхпроводники. Преимуществом керамических волокон, полученных предлагаемым способом, в сравнении с известными являются: большая однородность материала, повышенная прочность, дешевизна изготовления.

Использование: для производства композиционных материалов на основе керамических волокон. Сущность изобретения: заготовку расплавляют концентрированным потоком энергии и получают из образовавшейся капли расплава с помощью вращающегося диска-кристаллизатора тонкое волокно. При этом кромку диска-кристаллизатора изготавливают с радиусом кривизны, выбранным из условия: , где r_кр - радиус кривизны диска-кристаллизатора; R₃ - радиус заготовки; V₁ - скорость подачи заготовки; n - угловая скорость вращения диска-кристаллизатора; R_д - радиус диска-кристаллизатора. Шероховатость кромки диска-кристаллизатора выполняют по классу шероховатости не ниже 12. 1 ил.

1. Способ получения керамических волокон, включающий расплавление заготовки концентрированным потоком энергии, экстракцию из образовавшейся капли расплава вращающимся диском-кристаллизатором тонкого волокна, кристаллизацию волокна на поверхности кромки диска, отличающийся тем, что кромку диска-кристаллизатора изготовляют с радиусом кривизны, выбранным из условия

где r_кр - радиус кривизны кромки диска-кристаллизатора;
R₃ радиус заготовки;
V₁ скорость подачи заготовки;
n угловая скорость вращения диска-кристаллизатора;
R_д радиус диска-кристаллизатора. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что шероховатость кромки диска-кристаллизатора выполняют по классу шероховатости не ниже 12.