СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА Российский патент 2001 года по МПК C04B41/81 B22F3/26 

Описание патента на изобретение RU2167132C2

Изобретение относится к области производства широкого класса композиционных материалов и может быть использовано, в частности, при производстве углерод-углеродных композиционных материалов.

Известен способ получения композиционных материалов, включающий насыщение пористой заготовки органическим соединением - связующим с последующей термообработкой (карбонизацией) полученного композита в инертной атмосфере. Насыщение обычно проводят при атмосферном или пониженном давлении и для снижения пористости до приемлемого уровня повторяют несколько раз. В некоторых случаях на одной из стадий процесса насыщение ведется под давлением с целью заполнения всех пор в армирующем каркасе матрицеобразующим веществом (MOB) ( Л.Макаллистер, У.Лакман. Многонаправленные углерод-углеродные композиты. Прикладная механика композитов. Сб. статей 1986-1988 гг., М.: Мир, 1989, с. 256). Процесс получения композиционных материалов этим способом является длительным и предполагает использование сложного и энергоемкого оборудования.

Наиболее близким к заявляемому является принятый за прототип способ получения композиционных материалов (авт. св. СССР 631501 А, опубл. 05.11.1978, С 04 В 41/46, 2 с.), включающий пропитку изделий при комнатной температуре или при нагревании растворителем (керосин и др.) углеродистого вещества, при атмосферном давлении, последующее насыщение матрицеобразующим веществом (MOB), помещая его на общую границу пористой заготовки и растворителя в замкнутом объеме. Процесс насыщения производят при температуре равной или большей, чем температура кипения растворителя с последующей термообработкой.

Основной и самой трудоемкой операцией в создании композиционных материалов, характерной и для прототипа, является насыщение пористых тел, содержащих большую долю малых и тупиковых пор из-за необходимости удаления газов, находящихся в порах и адсорбированных их поверхностью. С этой целью проводят либо предварительное вакуумирование насыщаемых заготовок, либо вытеснение воздуха приложением повышенного давления. Даже при низкой вязкости и хорошей смачивающей способности связующего самопроизвольное вытеснение им запертых в порах газов является проблематичным, особенно если в качестве MOB используются шликеры или суспензии. Этот процесс, как и в аналоге, предполагает использование сложного и энергоемкого оборудования.

Задачей предлагаемого способа является получение композиционного материала с помощью жидких MOB, в том числе шликеров, суспензий, расположенных по всему объему заготовки независимо от характера пор в заготовке более простым и менее энергоемким способом, а также сокращение сроков получения аналогичных КМ и их ассортимента за счет различных материалов заготовок и их наполнителей и в сочетание.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе получения композиционного материала, включающем пропитку пористой заготовки растворителем матрицеобразующего вещества при атмосферном давлении, последующее насыщение раствором матрицеобразующего вещества, помещая его на общую границу пористой заготовки и растворителя в замкнутом объеме, при температуре, равной или большей, чем температура кипения растворителя, в предлагаемом способе насыщение раствором матрицеобразующего вещества осуществляют при атмосферном давлении и при избыточном объеме раствора. При этом объем раствора матрицеобразующего вещества в 10-15 раз больше объема растворителя, заполнившего пористое тело, а заполнение пористого тела растворителем проводят при температуре 0,5 T≅Т≅T, где T температура кипения растворителя. Насыщение пористого тела матрицеобразующим веществом проводят при температуре Tp>Т≥T, где Тp - температура полимеризации матрицеобразующего вещества.

Если пористое тело предварительно заполнить растворителем матрицеобразующего вещества, то хорошая смачиваемость разнородных твердых тел различными растворителями (например, керосином, спиртом) позволит быстро и гарантированно заполнить ими весь диапазон пор. Последующее перемещение пористого тела с заполненными растворителем порами в избыточный объем раствора MOB и увеличение температуры до уровня, равного или превышающего температуру кипения растворителя, позволяет в сжатые сроки осуществить усреднение концентрации MOB по всему объему пропиточной емкости и пористого тела. Высокая скорость выравнивания концентрации обеспечивается высоким уровнем коэффициента диффузии в жидкости. При температурах, близких к температуре кипения, он может достигать значений 10-1-10-2 см2/с. Таким образом, поры, прежде заполненные растворителем, через непродолжительное время будут заполнены раствором MOB практически исходной концентрации благодаря его избытку.

На чертеже представлена схема насыщения пористого тела.

Для реализации предлагаемого изобретения берется любое пористое тело 1, которым может быть древесина, металл, керамика, металлокерамика, всевозможные спеченные порошки, тканые и войлочные материалы и т.д., и помещается в замкнутый объем, в данном случае для простоты в виде цилиндра 2. Сверху, при закрытом кране 3, пористое тело заполняется растворителем MOB до полного заполнения пор пористого тела. После окончательного заполнения всех пор излишки растворителя можно слить через кран 3 до отметки "уровень", по которой проходит граница раздела между пористым телом, заполненным растворителем, и добавленным в емкость 2 раствором MOB 4. Хорошая смачиваемость разнородных твердых тел различными растворителями (например, керосином, спиртом) позволит быстро и гарантированно заполнить ими весь диапазон пор. Избыточный объем раствора MOB в 10-15 раз больше объема растворителя в порах и увеличение температуры до уровня, равного или меньшего температуры кипения растворителя, позволяют в сжатые сроки осуществить усреднение концентрации MOB по всему объему пропиточной емкости и пористого тела. Высокая скорость выравнивания концентрации обеспечивается высоким уровнем коэффициента диффузии в жидкости. При температурах, близких к температуре кипения, он может достигать значений 10-1-10-2 см2/с. Таким образом, поры, прежде заполненные растворителем, через непродолжительное время будут заполнены раствором MOB практически исходной концентрации благодаря его избытку. В зависимости от сочетания пористого тела и MOB идет последующая обработка насыщенного пористого тела для придания ему необходимых свойств. Устройство (см. чертеж) может быть заменено простым мешком из полиэтилена или другого материала, устойчивого к растворителю и MOB.

Сущность изобретения иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1. Пористую заготовку углерод-углеродного композиционного материала (УУКМ) плотностью 1,30 г/см3, пористостью 35% в форме диска диаметром 150 мм, высотой 30 мм и массой 690 г поместили в цилиндрическую емкость с этанолом до полного погружения диска в этанол. Погружение диска сопровождалось бурным выделением воздуха из объема диска.

Емкость поместили в термошкаф и нагрели до 40oC (температура кипения этанола 78oC). По мере вытеснения воздуха из пор с заполнением их этиловым спиртом, хорошо смачивающим поверхность всех модификаций углерода, выделение воздушных пузырьков становится менее заметным. После выдержки при указанной выше температуре в течение 2 ч все поры углерод-углеродного диска были заполнены этанолом. Масса пропитанного спиртом диска 925 г.

Затем емкость с диском из УУКМ, заполненным этанолом, до отметки "уровень" заполнили не менее чем 2-3 кг 55%-ного спиртового раствора фенолоформальдегидной смолы (бакелитового лака ЛБС-1), поместили в термошкаф, нагрели до 90-100oC и выдерживали при этой температуре 2 ч.

В течение этого периода времени происходило активное удаление этанола из пор УУКМ ввиду его активного перемешивания с раствором связующего при указанной температуре. Имея в виду, что оценка коэффициента диффузии в растворе связующего при данной температуре не ниже 10-2 см2/с, выравнивание концентрации связующего в объеме диска и вне его произойдет через τ =x2/D=900 с = 15 мин. Однако при D=10-3 см2/с для такого выравнивания понадобится уже 2,5 ч. Поэтому продолжительность данной стадии составляла 2 ч.

После остывания до комнатной температуры диск извлекли из емкости, предварительно дав стечь излишку связующего, и поместили в термошкаф для отверждения при 150oC. После отверждения масса диска790 г.

Продолжительность описанной выше схемы получения композиционного материала составляет 2 рабочие смены. При этом не требуется вакуумирование и применение высоких давлений. Рабочие температуры до операции отверждения не превышали 90-100oC.

Пример 2. Пористая заготовка из спеченного медного порошка пористостью 15%, плотностью 7,6 г/см3 в форме куба со стороной 40 мм, массой 485 г поместили в емкость с метанолом до полного погружения заготовки в данном растворителе.

Емкость поместили в термошкаф и нагрели до 40oC (температура кипения метанола 65oC). После выдержки при указанной температуре в течение 1 ч все поры медного куба были заполнены метанолом. Масса пропитанного метиловым спиртом куба 493 г.

Затем емкость с медным кубом и метанолом заполнили раствором MOB, содержащим более 200 мл 55%-ного спиртового раствора фенолоформальдегидной смолы в метаноле и поместили в термошкаф, нагрели до 90-100oC и выдерживали при этой температуре 1,5 ч.

После остывания до комнатной температуры куб извлекли из емкости, предварительно дав стечь излишку связующего, и поместили в термошкаф для отверждения при 150oC. После отверждения масса куба 490 г.

Пример 3. Горячепрессованная заготовка из нитридокремниевой керамики в виде облопаченного диска диаметром 150 мм, толщиной около 15 мм, пористостью 8%, плотностью 3,2 г/см3, массой 839 г поместили в емкость с толуолом до полного погружения заготовки в данном растворителе.

Емкость поместили в сушильный шкаф и нагрели до 60oC (температура кипения толуола 111oC). После выдержки при указанной температуре в течение 1 ч открытые (в т.ч. тупиковые) поры облопаченного диска были заполнены толуолом, о чем свидетельствует увеличение массы диска до 857 г.

Затем емкость с диском, заполненным толуолом, заполнили раствором MOB в виде 1000 мл 40%-ного раствора поликарбосилана в толуоле и поместили в термошкаф, нагрели до 110oC и выдерживали при этой температуре 2 ч.

После остывания емкости с диском до 50oC диск извлекли из емкости, сняли чистой ветошью излишек связующего и поместили в печь для отверждения при 400oC в атмосфере инертного газа. После отверждения масса композиционного материала в виде диска составляла 851 г.

Продолжительность описанных выше примеров насыщения пористых тел и получения КМ составляет, как правило, не более двух рабочих смен. При этом не требуется вакуумирование и применение высоких давлений. Рабочие температуры насыщения УУКМ связующим не превышают 100-120oC.

Способ позволяет изготавливать композиционные материалы различных размеров с различными MOB в сжатые сроки без использования дорогостоящего оборудования.

Похожие патенты RU2167132C2

название год авторы номер документа
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ 2001
  • Мелехин А.Г.
  • Минченков А.М.
RU2201343C2
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА 1998
  • Тимофеев А.Н.
  • Богачев Е.А.
  • Габов А.В.
  • Абызов А.М.
  • Смирнов Е.П.
  • Персин М.И.
RU2130509C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ УГЛЕРОД-УГЛЕРОДНОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА 1991
  • Рябин В.Т.
  • Кириллов В.Н.
  • Булавина Н.Л.
RU2016843C1
ФРИКЦИОННЫЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ 1998
  • Бабкин А.М.
  • Дворецкий А.Э.
  • Татарников О.В.
  • Тащилов С.В.
  • Тимофеев А.Н.
  • Ченцов И.Ю.
RU2135854C1
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ТЕРМОСТОЙКИХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ 2014
  • Бушуев Вячеслав Максимович
  • Бушуев Максим Вячеславович
  • Докучаев Андрей Георгиевич
  • Некрасов Вадим Александрович
RU2569385C1
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ 2001
  • Думин О.С.
  • Лужков Ю.М.
  • Мелехин А.Г.
  • Минченков А.М.
RU2215653C2
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЗДЕЛИЯ, СОДЕРЖАЩЕГО ПОЛОСТЬ ИЗ УГЛЕРОДСОДЕРЖАЩЕГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА 1991
  • Кадун Ю.И.
  • Трикозов В.Н.
  • Бульдяев А.Ф.
RU2066674C1
УГЛЕРОД-КАРБИДОКРЕМНИЕВЫЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ И СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЗ НЕГО ГЕРМЕТИЧНЫХ ИЗДЕЛИЙ 2014
  • Бушуев Вячеслав Максимович
  • Бушуев Максим Вячеславович
  • Никулин Сергей Михайлович
  • Рожков Алексей Валерьевич
RU2570073C1
СПОСОБ РЕМОНТА ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ ИЗ УГЛЕПЛАСТИКА 2013
  • Шатров Владимир Борисович
  • Мелехин Александр Григорьевич
  • Минченков Александр Михайлович
RU2553315C1
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ КЕРАМОМАТРИЧНОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА 2014
  • Бушуев Вячеслав Максимович
  • Бушуев Максим Вячеславович
  • Докучаев Андрей Георгиевич
  • Некрасов Вадим Александрович
RU2570075C1

Реферат патента 2001 года СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА

Способ получения композиционных материалов относится к области производства широкого класса композиционных материалов и может быть использовано, в частности, при производстве углерод-углеродных композиционных материалов. Задачей предлагаемого способа является получение композиционного материала с помощью жидких матрицеобразующих веществ (MOB), в том числе шликеров, суспензий, расположенных по всему объему заготовки независимо от характера пор в заготовке, более простым и менее энергоемким способом, а также сокращение сроков получения аналогичных композиционных материалов и их ассортимента за счет использования различных материалов заготовок и их наполнителей. Поставленная задача решается за счет того, что в способе получения композиционного материала, включающем насыщение пористой заготовки веществом, образующим матрицу, перед насыщением пористой заготовки ее помещают при атмосферном давлении в растворитель MOB при температуре, меньшей температуры кипения растворителя, а насыщение осуществляют помещением раствора MOB на общую границу пористой заготовки и растворителя в замкнутом объеме, при этом объем MOB должен превышать в 10-15 раз объем растворителя, заполнившего пористую заготовку, а процесс насыщения проводят при температуре, равной или большей температуры кипения растворителя. 2 з.п.ф-лы, 1 ил.

Формула изобретения RU 2 167 132 C2

1. Способ получения композиционного материала, включающий пропитку пористой заготовки растворителем матрицеобразующего вещества при атмосферном давлении, последующее насыщение раствором матрицеобразующего вещества, поместив его на общую границу пористой заготовки и растворителя в замкнутом объеме, при температуре, равной или большей температуры кипения растворителя, отличающийся тем, что объем раствора матрицеобразующего вещества в 10 - 15 раз больше объема растворителя, заполнившего пористое тело, и насыщение раствором матрицеобразующего вещества осуществляют при атмосферном давлении. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что заполнение пористого тела растворителем проводят при температуре 0,5Tev ≅ T ≅ Tev, где Tev - температура кипения растворителя. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что насыщение пористого тела матрицеобразующим веществом проводят при температуре Tp > T ≥ Tev, где Tp - температура полимеризации матрицеобразующего вещества.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2001 года RU2167132C2

Способ изготовления огнеупорных изделий 1977
  • Усатиков Иван Федорович
  • Гальченко Татьяна Георгиевна
  • Шулик Ирина Германовна
SU631501A1
СПОСОБ ОБРАБОТКИ ГРАФИТОВЫХ АНОДОВ 0
  • В. П. Фокин, Л. А. Кралин, Е. Т. Зареченский, В. Я. Хентов, Е. Г. Семин Н. И. Петрова
SU384542A1
Стенд для исследования истирания керна 1986
  • Белослудцев Алексей Федорович
  • Учитель Михаил Семенович
SU1312446A1
US 4290984 A, 22.09.1981
СПОСОБ ПРЕДОСТАВЛЕНИЯ ОТЧЕТА ПО ИНФОРМАЦИИ О МОБИЛЬНОСТИ В СИСТЕМЕ БЕСПРОВОДНОЙ СВЯЗИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОДДЕРЖКИ ЭТОГО 2013
  • Дзунг Сунгхоон
  • Ли Йоунгдае
  • Парк Сунгдзун
  • Йи Сеунгдзуне
  • Ким Сангвон
RU2602983C2

RU 2 167 132 C2

Авторы

Богачев Е.А.

Даты

2001-05-20Публикация

1999-05-21Подача