СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ УГЛЕРОД-УГЛЕРОДНОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА Российский патент 1997 года по МПК B29D9/00 

Изобретение относится к способам изготовления сборных конструкций из углерод-углеродных композиционных материалов и может быть использовано в химической и металлургической отраслях промышленности, например, при изготовлении тиглей для литья и плавления, чаш, электродов и т.п.

Известен способ изготовления изделия сборной конструкции из углеграфитовых материалов путем горячего прессования углеграфитовых блоков, нанесения тонкого слоя углеродосодержащего связующего на соединяемые блоки и последующего спекания [1]
Однако изделия, изготовленные по этому способу, имеют низкое качество из-за ненадежности соединяющего отдельные углеграфитовые блоки связующего, имеющего высокую пористость.

Известен и другой способ изготовления изделий из углерод-углеродного композиционного материала, при котором формируют части изделия из углеродных волокон, уплотняют их углеродом и соединяют путем укладки между соединяемыми поверхностями частей изделия волокнистого материала, его уплотнения и доуплотнения соединяемых частей углеродом [2]
Однако известный способ не обеспечивает высокой герметичности соединения из-за несплошности соединения, т.к. уплотнение волокнистого материала осуществляется через поверхность, площадь которой недостаточна для более полного уплотнения. Соединяющий отдельные части конструкции материал не обеспечивает надежность сцепления этих частей и герметичность изделия в целом.

Техническим результатом данного способа является повышение качества изготавливаемых изделий за счет повышения надежности герметичности соединения.

Для достижения технического результата в способе изготовления изделий из углерод-углеродного композиционного материала, при котором формируют части изделия из углеродных волокон, уплотняют их углеродом и соединяют путем укладки между соединяемыми поверхностями частей изделия волокнистого материала, его уплотнения и доуплотнения соединяемых частей углеродом, согласно изобретению, уплотняют углеродом одну из частей изделия и на ее поверхности, предназначенной для соединения с другими частями изделия, выполняют углубления, а укладку волокнистого материала осуществляют в выполненное углубление, при этом для формирования последующих частей изделия и соединения их с уплотненной частью используют формообразующую оправку, установленную с возможностью контакта с уплотненной частью изделия.

При формировании последующих частей изделия волокнистый материал, укладываемый в углубление уплотненной части, соединяют с неуплотненным материалом формируемой части путем пришивки углеродной нитью.

Уплотнение и доуплотнение отдельных частей изделия производят пироуглеродом при наличии градиента температур.

На фиг. 1 и 2 изображены варианты изготовления изделия, например тигля.

Способ осуществляют следующим образом.

Формируют углеродные каркасы отдельных частей изделия. Одну из частей 1 уплотняют углеродом. После этого на поверхности, предназначенной для соединения части 1 с другими частями, выполняют углубление 2, в которое укладывают волокнистый материал 3, одинаковый с материалом, из которого выполнены отдельные части изделия. Волокнистый материал 3 может быт соединен с материалом каркаса неуплотненной части изделия посредством пришивки для лучшего прилегания его друг к другу. Затем на формообразующей оправке 4, контактирующей с уплотненной частью 1 изделия, части 1 и 5 формируют и соединяют. Волокнистый материал 3, уложенный в углубление 2, совместно с волокнистым материалом 3 части 5 изделия уплотняют углеродом. При этом происходит доуплотнение части 1 изделия. При этом необходимо соблюдать условие, чтобы волокнистый материал, соединяющий части 1 и 5 изделия, контактировал с уплотненной частью изделия на площади, достаточной для свободного доступа углеродсодержащего газа в зону контакта соединяемых между собой частей изделия. В результате достигается монолитность соединения. Для улучшения уплотнения волокнистого материала 3 можно использовать термоградиентный способ насыщения пироуглеродом, который способствует наилучшему проникновению углерода в поры материала, повышая надежность соединения, т.к. насыщение происходит на большую глубину (фиг. 1). Плотность материала, соединяющего отдельные части изделия, близка плотности материала, из которого выполнены эти части, в результате этого достигаются прочность и герметичность соединения.

Соединение части 1 с частью 5 на фиг. 2 может быть осуществлено также следующим образом.

В части 1 на участке со стороны ее внутренней боковой поверхности, предназначенном для соединения с частью 5, выполняют углубление 2. Затем в выполненное углубление 2 укладывают волокнистый накопитель 3, для чего тканевые заготовки в виде цельного круга или его части, формирующие донышко 5 изделия, заводят в указанное углубление 2. При выполнении тканевой заготовки в виде части круга стыки заготовок в соседних слоях смещают друг относительно друга.

Таким образом, при этом способе формирование каркаса части 5 оказывается совмещенным по времени с укладкой волокнистого материала 3 в углубление 2, выполненное в части 1.

При указанном способе обеспечивается повышенная механическая связь частей 1 и 5 изделия друг с другом, т.к. волокна углеродного волокнистого материала, уложенного в углубление 2, имеют продолжение в части 5 изделия.

Пример 1 (фиг. 1). Из углеродной ткани формируют каркас донной части 1 тигля в форме диска или пластины с плотностью 0,64 г/см³, толщиной 40 мм. Каркас уплотняют пироуглеродом термоградиентным способом до плотности 1,45 г/см³. Из полученной заготовки механической обработкой выполняют донную часть 1 тигля. Со стороны наружной боковой стороны тигля на донной части 1 выполняют углубление 2 в виде кольцевой проточки шириной 15 мм и глубиной 10 мм. В кольцевую проточку 2 укладывают волокнистый материал 3 в виде ленты, отрезанной от углеродной ткани. На донную часть 1 устанавливают формообразующую оправку 4 из графита для оформления боковых стенок 5 тигля. В процессе формирования волокнистый материал 3 пришивают к волокнистому материалу 3 каркаса боковой стенки 5 тигля углеродной нитью. Затем осуществляют соединение донной части 1 с боковыми стенками 5 тигля путем насыщения пироуглеродом. При этом происходит уплотнение каркаса стенки 5 и уложенного в проточку 2 волокнистого материала 3 и доуплотнение донной части 1 тигля. Для более надежного соединения частей 1 и 5 уплотнение пироуглеродом осуществляют при градиенте температур по толщине волокнистого материала 3 и боковой стенки 5 тигля. При этом получают материал с плотностью 1,40-1,45 г/см³.

Пример 2 (фиг. 2). Из углеродной ткани формируют каркас плотностью 0,6 г/см³ боковых стенок тигля. Каркас уплотняют пироуглеродом термоградиентным способом до плотности 1,45 г/см³. Со стороны внутренней поверхности заготовки выполняют кольцевую проточку 2 шириной 15 мм и глубиной 10 мм. В проточку 2 укладывают волокнистый материал 3 в виде углеродной ленты. Затем на формообразующей оправке 4 формируют каркас донной части 5 в виде диска. Оправку 4 с каркасом диска 5 устанавливают со стороны торца боковой стенки тигля так, чтобы каркас донной части 5 вошел в контакт с внутренней поверхностью боковой стенки и волокнистым материалом 3, уложенным в проточку 2. Соединяют части 1 и 5 путем насыщения пироуглеродом. Происходит уплотнение каркаса донной части 5 и волокнистого материала и одновременно доуплотнение боковых стенок тигля. Для этого сборку устанавливают на плоский нагреватель так, чтобы с ним контактировала формообразующая оправка 4. После уплотнения сборку снимают с нагревателя, оправку 4 удаляют. Плотность материала соединения при этом составляет 1,45-1,45^oC0,5 г/см³. Способ позволяет повысить прочность и герметичность изделий за счет сплошности соединения отдельных частей изделия посредством соединяемого материала, плотность которого близка к плотности материала, из которого выполнены эти части.

Использование: при изготовлении сборных конструкций из углерод-углеродных композиционных материалов, а также в металлургической промышленности, например при изготовлении тиглей для литья и плавления, чаш, электродов и т. п. Сущность изобретения: формируют части изделия из углеродных волокон, уплотняют их углеродом (У) и соединяют путем укладки между соединяемыми поверхностями частей изделия волокнистого материала, его уплотнения и доуплотнения соединяемых частей У. Уплотняют У одну из частей изделия и на ее поверхности, предназначенной для соединения с другими частями изделия, выполняют углубления. Укладку волокнистого материала осуществляют в выполненное углубление. Для формирования последующих частей изделия и соединения их с уплотненной частью используют формообразующую оправку, установленную с возможностью контакта с уплотненной частью изделия. При формировании последующих частей изделия волокнистый материал, укладываемый в углубление уплотненной части, соединяют с неуплотненным материалом формируемой части путем пришивки углеродной нитью. Уплотнение и доуплотнение отдельных частей изделия производят пироуглеродом при наличии градиента температур. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ изготовления изделий и углерод-углеродного композиционного материала, при котором формируют части изделия из углеродных волокон, уплотняют их углеродом и соединяют путем укладки между соединяемыми поверхностями частей изделия волокнистого материала, его уплотнения и доуплотнения соединяемых частей углеродом, отличающийся тем, что уплотняют углеродом одну из частей изделия и на ее поверхности, предназначенной для соединения с другими частями изделия, выполняют углубления, а укладку волокнистого материала осуществляют в выполненное углубление, при этом для формирования последующих частей изделия и соединения их с уплотненной частью используют формообразующую оправку, установленную с возможностью контакта с уплотненной частью изделия. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при формировании последующих частей изделия волокнистый материал, укладываемый в углубление уплотненной части, соединяют с неуплотненным материалом формируемой части путем пришивки углеродной нитью. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что уплотнение и доуплотнение отдельных частей изделия производят пироуглеродом при наличии градиента температур.