СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВОЛОКНИСТОЙ ЗАГОТОВКИ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ДЕТАЛЕЙ ИЗ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА УГЛЕРОД/УГЛЕРОДНОГО ТИПА, ВКЛЮЧАЮЩЕГО КЕРАМИЧЕСКИЕ ЧАСТИЦЫ, И ПРОДУКТЫ, ПОЛУЧЕННЫЕ ЭТИМ СПОСОБОМ Российский патент 2010 года по МПК C04B35/83 C04B35/528 

Предшествующий уровень техники и задача изобретения

Изобретение относится к изготовлению волокнистых заготовок для производства деталей из углерод-углеродного (С/С) композиционного материала, то есть материала, содержащего армирование из углеродных волокон и матрицу, изготовленную преимущественно из углерода.

Одной из областей применения изобретения являются трущиеся детали, изготовленные из С/С композиционного материала, и более конкретно диски для авиационных тормозных систем.

Для улучшения износостойкости тормозных дисков, изготовленных из С/С композиционного материала, в патенте США № 6376431 рассматривается включение керамики более конкретно карбида кремния (SiC), в армирование из углеродных волокон. С этой целью армирование или заготовку импрегнируют раствором типа «золь-гель», содержащим предшественник (прекурсор) SiO₂, предназначенный для получения после термической обработки частиц SiC, распределенных по существу равномерно по всей заготовке. Массовое процентное содержание SiC, введенного таким способом, является малым - не более 1% от массы композиционного материала.

Для этого известного способа требуется, чтобы заготовки обрабатывались после их изготовления. Обработку можно проводить в несколько стадий (до и после импрегнирования), являющихся достаточно длительными и дорогостоящими, которые к тому же следует выполнять с осторожностью во избежание деформирования импрегнированной заготовки (которая при этом становится тяжелой и мягкой). Кроме того, невозможно контролируемым образом изменять концентрацию частиц SiC в заготовке. К тому же заявителем было установлено, что присутствие частиц SiC может сказаться на механических свойствах композиционного материала в виде ослабления углеродных волокон, составляющих армирование. Особенно важно сохранять хорошие механические качества в частях тормозных дисков, подвергающихся механическому напряжению, таких как дисковый сердечник, передающий тормозной момент, и особенно в авиатормозах, где должны передаваться очень высокие уровни вращающего момента. Никакое ослабление сердечника тормозных дисков недопустимо.

Задачей изобретения является обеспечение возможности введения керамических частиц в волокнистые заготовки деталей из композиционного материала, в то же время устраняя упомянутые выше недостатки.

Сущность изобретения

Согласно изобретению указанная задача решена посредством способа изготовления детали из углерод-углеродного композиционного материала, содержащего керамические частицы, включающего изготовление волокнистой заготовки с дискретными керамическими частицами оксида, диспергированными внутри волокнистой заготовки, и последующее уплотнение волокнистой заготовки углеродной матрицей, характеризующегося тем, что включает следующие стадии:

а) импрегнирование одной или более чем одной двухмерной волокнистой ткани из углеродных волокон или прекурсоров углеродных волокон в растворе или суспензии, обеспечивающих возможность дисперсии дискретных керамических частиц оставаться на волокнистой ткани; и

б) изготовление волокнистой заготовки посредством наложения слоев, образованных из двухмерной ткани из углеродных волокон или прекурсоров углеродных волокон, и соединения этих слоев вместе, причем, по меньшей мере, некоторые из слоев, по меньшей мере, частично образованы из двухмерной ткани, предварительно импрегнированной на стадии а), с обеспечением контролируемой концентрации керамических частиц в волокнистой заготовке.

Таким образом, способ характеризуется тем, что диспергирование керамических частиц в слоях заготовки получают импрегнированием двухмерной волокнистой ткани, использованной для изготовления заготовки, перед формованием заготовки.

Такое импрегнирование может выполняться на волокнистой ткани до операции наложения слоев волокнистой ткани. Такая стадия импрегнирования может быть также интегрирована в процесс изготовления заготовки без каких-либо существенных его модификаций.

Кроме того, импрегнирование легко можно проводить избирательно, чтобы получать требуемые концентрации керамических частиц в заготовке или ограничить присутствие керамических частиц в определенных зонах заготовки.

Импрегнирование двухмерной волокнистой ткани согласно способу изобретения можно осуществлять посредством непрерывного пропускания ткани через ванну или путем напыления раствора или суспензии на ткань.

Можно использовать золь-гель раствор, содержащий прекурсор керамики, при этом диспергированные керамические частицы получают после проведения последующей термической обработки. В частности, можно использовать золь-гель раствор, который после высыхания оставляет диспергированные частицы оксидов, такие как, в частности, частицы огнеупорных оксидов, а именно TiO₂, ZrO₂, HfO₂ и SiO₂. Количество оксида, распределенного в волокнистой ткани, предпочтительно составляет от 0,1% до 20% от массы волокнистой ткани, особенно предпочтительно от 1% до 15%. Частицы оксида впоследствии могут трансформироваться в частицы огнеупорного карбида в результате реакции с углеродом волокон волокнистой ткани, протекающей при термической обработке. Термическую обработку предпочтительно проводить в инертной атмосфере при температуре в пределах от 1400°С до 1750°С.

Как вариант, можно использовать коллоидную суспензию частиц оксида в частности, TiO₂, ZrO₂, HfO₂ или SiO₂, имеющих средний диаметр, предпочтительно не превышающий 100 нм или даже 50 нм.

В тех случаях, когда присутствие частиц SiC в заготовке является нежелательным, можно использовать золь-гель раствор, отличный от раствора, который оставляет частицы SiO₂.

Желательно, чтобы при изготовлении тормозной заготовки часть заготовки, которая составляет волокнистое армирование той части диска, которая механически передает тормозной момент, была изготовлена из двухмерных волокнистых слоев, не импрегнированных раствором или суспензией, способных оставлять на ткани дисперсию керамических частиц.

Согласно другому аспекту изобретение предлагает заготовку для тормозных дисков, которая может быть получена таким образом. А именно, заготовку изготавливают из углеродных волокон, включающих огнеупорные керамические частицы, диспергированные в заготовке, при этом часть заготовки, которая составляет волокнистое армирование той части диска, которая служит для механической передачи тормозного момента, не содержит или почти не содержит керамических частиц.

Согласно еще одному аспекту изобретение также предлагает тормозной диск из С/С композиционного материала, в котором волокнистое армирование получают способом изготовления заготовки тормозного диска, как описан выше, или из заготовки тормозного диска, как описана выше.

Более конкретно, настоящее изобретение предлагает любые детали из С/С композиционного материала, полученные способом, описанным выше.

Желательно, чтобы в содержащих керамические частицы частях деталей из С/С композиционного материала или в тормозном диске, полученном описанным способом, керамические частицы составляли от 0,1% до 5% от массы композиционного материала.

Краткое описание чертежей

Изобретение может быть более понятным при прочтении следующего описания, приведенного в качестве неограничивающего примера, и со ссылкой на прилагаемые графические материалы, на которых:

- на фиг.1-4 изображена последовательность стадий для различных вариантов осуществления способа согласно изобретению;

- фиг.5 и 6 представляют собой очень схематичные изображения двух установок для изготовления прошитых волокнистых заготовок, реализующих способы согласно изобретению;

- фиг.7 представляет собой очень схематичное изображение детали из композиционного материала, полученной способом согласно изобретению;

- фиг.8 представляет собой фотографию со сканирующего электронного микроскопа, показывающую распределение керамических частиц на волокнах в волокнистой заготовке;

- на фиг.9 представлены результаты испытаний трением;

- фиг.10 и 11 представляют собой фотографии, сделанные при помощи сканирующего электронного микроскопа и показывающие распределение керамических частиц на волокнах волокнистой заготовки.

Подробное описание вариантов осуществления изобретения

Изготовление трехмерных волокнистых заготовок посредством наложения и соединения вместе листов или слоев из двухмерной ткани является процессом, который хорошо известен сам по себе.

Двухмерная ткань может быть в виде тканого полотна, фетра, трикотажа или полотна, являющегося однонаправленным или многонаправленным (UD или nD). UD полотно состоит из волокон или нитей, расположенных, по существу, параллельно друг другу, по возможности, соединенных в поперечном направлении (например, при помощи легкого сшивания), чтобы придать некоторую когезию UD полотну. nD полотно состоит из n наложенных в разных направлениях UD полотен, соединенных вместе, например, при помощи сшивания, стачивания и тому подобного. Также могут использоваться двухмерные ткани сложной конфигурации, включающие полотно или лист, имеющие сеть свободных волокон, нанесенных на них и присоединенных к ним, например, при помощи сшивания. Можно сослаться, в частности, на патенты США №№ 4790052 и 5792715, описывающие изготовление сшитой волокнистой пластины, из которой могут быть вырезаны заготовки, такие как кольцевые заготовки для тормозных дисков. Кроме того, можно сослаться на документ ЕР 0232059, в котором описывается изготовление кольцевой заготовки при помощи наложения кольцевых слоев и кругового сшивания.

Двухмерная ткань также может быть в форме спиральной ткани, такой как спиральное полотно или жгут, или другой деформируемой ткани, которую наматывают наложенными друг на друга плоскими витками, чтобы сформовать кольцевую волокнистую заготовку, обычно заготовку для тормозного диска. Витки, образующие наложенные слои, могут быть соединены вместе при помощи сшивания. Можно сослаться на патенты США №№ 6009605 и 6363593.

В примере изобретения волокнистую ткань для изготовления заготовки импрегнируют либо до, либо во время изготовления заготовки, чтобы получить в конечной заготовке требуемое распределение керамических частиц.

В конкретном варианте осуществления изобретения, изображенном на фиг.1, двухмерную волокнистую ткань из углеродных волокон или прекурсоров углеродных волокон (таких как nD полотно) импрегнируют (стадия 11) золь-гель раствором, содержащим прекурсор частиц оксидов. При использовании ткани из прекурсоров углеродных волокон предпочтительно, чтобы был выбран прекурсор с относительно высоким содержанием углерода, например прекурсор с содержанием углерода не менее 80%. Например, для волокон, полученных из предварительно окисленного полиакрилонитрила (ПАН), предпочтительно, чтобы импрегнирование выполняли после предварительной карбонизации при температуре, равной, например, по меньшей мере, 900°С, что способствует доведению содержания углерода до величины в пределах от 80 до 95%. Золь-гель раствор выбирают в зависимости от природы требуемых частиц оксидов. Например, золь-гель раствор, содержащий прекурсор диоксида кремния SiO₂, может быть получен смешением тетраэтоксисилана (TEOS) Si(OC₂H₅)₄, являющегося прекурсором SiO₂, с этанолом, соляной кислотой и водой. Чтобы получить после последующей сушки частицы оксида, отличного от SiO₂, достаточно использовать соответствующий прекурсор. Таким образом, частицы TiO₂ можно получить, заменив TEOS на тетраэтоксид титана Ti(ОСН₂СН₃)₄, а частицы ZrO₂ - заменив TEOS на н-бутоксид циркония Zr(O(СН₂)₃СН₃)₄.

Следует отметить, что волокнистая ткань может быть импрегнирована напылением золь-гель раствора на одну или обе поверхности ткани, например, при перемещении волокнистой ткани мимо одной или более чем одной распылительной форсунки или мимо рядов распылительных форсунок с одной или обеих сторон ткани. Кроме того, можно выполнять импрегнирование, пропуская волокнистую ткань через ванну с золь-гель раствором, предпочтительно с последующим отеканием жидкости с ткани.

Импрегнирование волокнистой ткани предпочтительно регулируют таким образом, чтобы после последующей сушки содержание частиц огнеупорных оксидов, распределенных в волокнистой ткани, составляло от 0,1% до 20% от массы сухой волокнистой ткани, предпочтительно от 2% до 15%.

Слои влажной импрегнированной ткани совмещают и постепенно, по мере совмещения, соединяют вместе. Соединение можно осуществлять при помощи сшивания (стадия 12), как описано, например, в упоминавшихся выше патентах США №№ 4790052 и 5792715. Могут быть предусмотрены и другие способы соединения, такие как стачивание или введение нитей сквозь совмещенные слои.

После достижения требуемой толщины трехмерной волокнистой структуры проводят сушку в сушильной камере (стадия 13), после которой на волокнах волокнистой заготовки остается дисперсия частиц оксидов. Сушку проводят, например, при температуре в пределах от 50°С до 110°С в течение от 12 до 24 ч.

Затем выполняют термическую обработку (стадия 14) в инертной атмосфере, например в атмосфере азота, во время которой частицы огнеупорного оксида превращаются в частицы огнеупорного карбида в результате реакции с углеродом волокон волокнистой структуры. Термическую обработку проводят при температуре в пределах от 1400°С до 1750°С в течение времени, которое может достигать 4 ч. Когда волокна импрегнированной волокнистой ткани еще находятся на стадии прекурсора углерода, карбонизацию волокон и превращение частиц оксида в огнеупорный карбид можно осуществлять как одну операцию термической обработки. Следует отметить, что трехмерные волокнистые заготовки той формы, которая соответствует форме деталей, подлежащих изготовлению из композиционного материала, могут быть вырезаны из трехмерной волокнистой структуры либо до, либо после термической обработки. В качестве одного из вариантов, заготовка требуемой формы может быть получена непосредственно наложением и сшиванием вместе слоев, имеющих требуемую форму.

Волокнистые заготовки далее уплотняют с помощью углеродной матрицы (стадия 15) известным способом, например методом химической инфильтрации из паровой фазы (CVI), используя реакционную газовую фазу, содержащую один или более прекурсор углерода, дающий пироуглерод в результате разложения при определенных температуре и давлении. Уплотнение с помощью углеродной матрицы также можно осуществлять «жидким» способом, то есть путем импрегнирования заготовки жидкой композицией, содержащей прекурсор углерода, например, такой как деготь или смолу, и превращения прекурсора в углерод в результате термической обработки. В любом случае деталь из С/С композиционного материала получают с дисперсией частиц огнеупорного карбида, составляющих приблизительно от 0,1% до 10%, предпочтительно от 0,1% до 5%, от конечной массы композиционного материала.

На фиг.2 показан другой вариант осуществления способа изобретения. Способ, схема которого изображена на фиг.2, отличается от изображенного на фиг.1 тем, что для получения волокнистой заготовки двухмерную ткань, импрегнированную на стадии 21 (аналогичной стадии 11), сушат в сушильной камере (стадия 22) перед выполнением стадии 23 (аналогичной стадии 12) наложения и соединения вместе слоев сухой ткани, содержащих дисперсию частиц огнеупорного оксида. Затем проводят стадии 24 и 25 термической обработки и уплотнения заготовки, аналогичные стадиям 14 и 15.

В частности, когда соединение совмещенных слоев выполняют с помощью сшивания, тем не менее следует отметить, что предпочтительно сшивать влажные слои перед сушкой, в частности, чтобы избежать рассеивания волоконец или пыли в окружающую среду, что может происходить при сшивании сухой волокнистой ткани.

На фиг.3 показана схема еще одного варианта осуществления способа изобретения, применяющегося, в частности, для изготовления тормозных дисков из С/С композиционных материалов. Согласно варианту осуществления, изображенному на фиг.3, деталь из композиционного материала изготавливают в следующей последовательности:

стадия 31 импрегнирования двухмерной волокнистой ткани из углеродных волокон или прекурсоров углеродных волокон золь-гель раствором (аналогичная стадии 10);

наложение и соединение вместе множества влажных импрегнированных слоев (стадия 32) для получения первого слоя волокнистой структуры;

наложение (стадия 33) на указанный первый слой волокнистой структуры множества неимпрегнированных слоев двухмерной волокнистой структуры, предпочтительно используя такую же ткань, как ткань, импрегнированную на стадии 31, при этом слои неимпрегнированной волокнистой ткани совмещают и соединяют друг с другом и с нижележащими слоями первого слоя волокнистой структуры, чтобы образовать второй слой волокнистой структуры, соединенный с первым слоем;

наложение (стадия 34) на указанный второй слой волокнистой структуры множества влажных импрегнированных слоев волокнистой ткани, предпочтительно используя такую же волокнистую ткань, как ткань, импрегнированную на стадии 31, при этом эти слои импрегнированной волокнистой ткани соединяют друг с другом и с нижележащим вторым слоем волокнистой структуры, чтобы образовать третий слой волокнистой структуры, соединенный со вторым слоем;

стадия 35 сушки волокнистой структуры, аналогичная стадии 13;

стадия 36 термической обработки волокнистой заготовки, аналогичная стадии 14; и

стадия 37 уплотнения волокнистой заготовки, аналогичная стадии 15.

В результате получают деталь 38 из С/С композиционного материала (фиг.7), имеющую две части 39а и 39b, примыкающие к противолежащим граням 38а и 38b детали, в которых распределены частицы огнеупорного карбида, и центральную часть 39с, не содержащую частиц огнеупорного карбида. (Возможно, что незначительное количество импрегнирующей композиции может мигрировать в центральную часть заготовки во время сшивания на стадии 33). В тех частях детали из композиционного материала, которые содержат частицы огнеупорного карбида, содержание частиц предпочтительно составляет от 0,1% до 5 от массы композиционного материала.

Для тормозного диска, изготовленного из С/С композиционного материала, присутствие частиц огнеупорного карбида может таким образом быть ограничено трущейся частью диска, тогда как дисковый сердечник, служащий для механической передачи тормозного момента, не содержит или практически не содержит частиц огнеупорного карбида.

Следует отметить, что трехмерная волокнистая структура может быть изготовлена после сушки импрегнированной двухмерной структуры, как в варианте, показанном на фиг.2.

Кроме того, следует отметить, что использование слоев, импрегнированных золь-гель растворами, содержащими разные концентрации прекурсора огнеупорных оксидов, и неимпрегнированных слоев делает возможным создание заготовок с любым неоднородным распределением частиц огнеупорного карбида по толщине заготовки.

На фиг.4 показаны стадии еще одного варианта осуществления изобретения, согласно которому трехмерную волокнистую структуру изготавливают намоткой спиральной двухмерной волокнистой ткани, например спирального тканого полотна.

Спиральную полоску ткани подают (стадия 41) и непрерывно импрегнируют (стадия 42) предпочтительно распылением золь-гель раствора, содержащего прекурсор огнеупорного оксида, такого как раствор, использовавшийся на стадии 11, при этом спиральную полоску ткани пропускают мимо одной или более чем одной распылительной форсунки.

Импрегнированную полоску ткани наматывают (стадия 43) круговыми витками или слоями, которые образуют наложенные друг на друга плоские слои. Витки соединяют друг с другом (стадия 44), например, с помощью сшивания с образованием кольцевой волокнистой заготовки.

После достижения требуемой толщины волокнистой заготовки ее сушат в сушильной камере. Стадия 45 сушки аналогична стадии 14.

После этого осуществляют стадию 46 термической обработки и стадию 47 уплотнения, аналогичные стадиям 14 и 15.

В результате получают кольцевую деталь из С/С композиционного материала, содержащего распределенные в нем частицы огнеупорного карбида.

Меняя состав золь-гель раствора, распыляемого на спиральную полоску ткани, и временно приостанавливая распыление этого раствора на постоянно движущуюся полоску, можно регулировать плотность частиц огнеупорного карбида в разных областях толщины кольцевой заготовки. В частности, можно ограничивать присутствие частиц огнеупорного карбида в центральных зонах, тем самым делая возможным, как об этом говорилось выше, создание тормозных дисков из С/С композиционного материала, в которых, например, средняя часть не содержит или практически не содержит таких частиц.

В рассмотренных выше примерах предполагается, что двухмерную волокнистую ткань импрегнируют золь-гель раствором, содержащим прекурсор оксида.

Как вариант, можно использовать коллоидную суспензию оксида, например коллоидный раствор ZrO₂, TiO₂, HfO₂, SiO₂ или тому подобное. После сушки частицы оксида превращаются в частицы огнеупорного карбида в результате термической обработки, приводящей к реакции волокон волокнистой ткани с углеродом, как упоминалось выше.

При использовании суспензий частицы оксида должны иметь средний размер, который предпочтительно менее 100 нм или даже менее 50 нм, особенно при изготовлении трущихся деталей. Присутствие твердых керамических частиц относительно большого размера в трущихся изделиях из С/С композита может ускорить износ. Введенные частицы огнеупорного оксида могут составлять от 0,1% до 20% от сухой массы волокнистой ткани, предпочтительно от 1% до 15%.

Тем не менее, следует отметить, что использование золь-гель раствора является предпочтительным для получения однородного распределения частиц после сушки слоя или слоев, импрегнированных данным золь-гель раствором.

Как упоминалось в начале описания, достоинством способа изобретения является то, что импрегнирование может быть легко включено в обычный процесс изготовления волокнистой заготовки.

Первый пример проиллюстрирован на фиг.5, где представлено очень схематичное изображение установки для изготовления трехмерной волокнистой структуры в форме пластины путем наложения и сшивания слоев двухмерной волокнистой ткани; при этом установка относится к типу, используемому для осуществления способов, описанных в упоминавшихся выше патентах США №№ 4790052 и 5792715.

Сшитую волокнистую пластину 51 получают посредством наложения слоев 52 и их соединения вместе при помощи сшивания. Пластина 51 движется горизонтально мимо сшивающего устройства 53, совершающего возвратно-поступательное движение. Вариант конструкции аппарата для продвижения такой волокнистой пластины во время сшивания описан в патенте США № 6568050.

Прогон при сшивании выполняют продвижением волокнистой пластины 51, которое проводят в одном направлении (стрелка F). В конце хода на верхнюю поверхность пластины помещают новый слой 52 и выполняют новый прогон сшивания, перемещая волокнистую пластину 51 в противоположном направлении.

Слои берут из рулонов 54, 55 двухмерной волокнистой ткани, расположенных на каждой стороне боковых панелей 56, 57 стола для сшивания, например, с помощью вращающихся цилиндров или хомута (не показан).

На пути двухмерной волокнистой ткани от рулонов 54 или 55 к панелям 56 или 57 расположены поперечные ряды форсунок 58, 59. В форсунки 58, 59 под давлением подают золь-гель раствор или суспензию, чтобы обеспечить импрегнирование слоев по мере их продвижения к волокнистой пластине 51, которая при этом наращивается; подача в форсунки регулируется таким образом, чтобы импрегнирование слоев происходило систематически или избирательно. Как вариант, слои можно импрегнировать посредством пропускания их через ванну.

Второй пример изображен на фиг.6, на котором представлено очень схематичное изображение установки для изготовления кольцевой трехмерной волокнистой структуры путем намотки слоев или витков, которые представляют собой накладывающиеся друг на друга плоскости, будучи взятыми из спиральной полоски волокнистой ткани, при этом витки соединены при помощи сшивания. Такая установка относится к типу, отмеченному в упоминавшихся выше патентах США №№ 6009605 и 6363593.

Спиральная полоса 61 волокнистой ткани, например спиральное тканое полотно, подается на горизонтальный опорный поворотный стол 62 (стрелка f1), на котором полотно укладывается в виде наложенных друг на друга кольцевых слоев или витков с образованием кольцевой волокнистой структуры 63. При движении поворотный стол проходит под сшивающей головкой 64, занимающей часть кольцевого пространства и совершающей возвратно-поступательное движение в вертикальном направлении. Подачу и прошивание спиральной ткани выполняют непрерывно до получения толщины, необходимой для прошитой кольцевой заготовки, при этом опорный поворотный стол постепенно снижается относительно сшивающей головки.

Во время подачи, до того, как расположиться на опорном поворотном столе 62, спиральное полотно проходит ряд форсунок 65, служащих для распыления золь-гель раствора или суспензии на полотно для его импрегнирования. Форсунки 65 отрегулированы так, чтобы импрегнировать спиральное полотно непрерывно или иным образом, в зависимости от требований.

Пример 1

Использовали двухмерную волокнистую ткань в виде ленты, полученной наложением UD полотна на другое непрерывно перемещающееся UD полотно, при этом наложение выполняли таким образом, чтобы получить 3D (трехмерный) лист с направлениями, образующими между собой углы 60°. UD полотна были изготовлены из углеродных волокон.

Готовили композицию для импрегнирования следующего состава (по объему):

18,5%TEOS (Si(OC₂H₅)₄);

2,99% воды;

78,5% этанола; и

0,01% 10Н соляной кислоты.

Концентрация TEOS составляла 0,83 моль на литр (моль/л), величина рН была около 3, а молярное отношение H₂O/TEOS составляло приблизительно 2. Для получения композиции готовили по отдельности смесь TEOS с половинным количеством этанола и смесь оставшейся части этанола с водой и соляной кислотой, затем все ингредиенты объединяли при перемешивании в течение приблизительно 2 ч. В результате получали золь-гель композицию, пригодную для хранения и использования в течение нескольких дней.

Трехмерную волокнистую структуру изготавливали наложением слоев указанной двухмерной волокнистой ткани, импрегнированной указанной композицией, и соединением слоев вместе при помощи сшивания.

После сушки при температуре 60°С в сушильной камере в течение 16 ч проводили термическую обработку в атмосфере азота при температуре 1600°С в течение 4 ч. При этом SiO₂ превращался в SiC. На фиг.8 показано распределение частиц SiC на волокнах заготовки.

Получающуюся в результате волокнистую структуру уплотняли матрицей из пироуглерода методом химической инфильтрации из паровой фазы до получения относительной плотности приблизительно 1,78. Массовая концентрация SiC в полученном композиционном материале составила около 2,5%.

Образцы для испытания С/С композиционного материала, обогащенного частицами SiC, полученного в данном примере, подвергали испытанию трением. Имитацию торможения проводили на опытных образцах небольших размеров, сравнимых с обычными тормозными дисками, то есть имеющих наружный диаметр 144 мм, внутренний диаметр 98 мм и толщину 14 мм. Прилагали усилия на единицу массы в пределах от 16 кДж/кг до 1700 кДж/кг, сообщая начальные скорости вращения на опытных образцах от 520 об/мин до 3400 об/мин с тормозным давлением от 3,2 бар до 7,62 бар. Это соответствовало последовательности из 11 повторных торможений для получения значащих средних величин скорости износа и коэффициента трения.

Кривая А на фиг.9 показывает скорость износа, измеренную как функцию от температуры, определяемой на 1 мм ниже поверхности трения, при этом указанная температура связана с приложенной энергией торможения. Скорость износа определяли измерением скорости изменения толщины поверхности трения в секунду.

Для сравнения, кривые В и С на Фиг.9 показывают границы диапазона (заштрихованная часть) результатов, полученных для С/С композиционного материала, не обогащенного SiC.

Можно видеть, что, за исключением низкотемпературной области (то есть при температуре до приблизительно 180°С), присутствие частиц SiC приводит к значительному уменьшению износа, и это продолжается до области высоких температур. Это является значительным результатом.

Тем не менее, измерение коэффициента трения выявило определенную степень нестабильности при высокой температуре, что может быть связано с природой керамических частиц (SiC). Вследствие этого для использования в зоне с высокой энергией торможения может быть предпочтительным, чтобы присутствовали частицы, отличные от SiC, что предполагает использование золь-гель раствора, содержащего прекурсор оксида, отличного от SiO₂, либо использование коллоидной суспензии оксида, отличного от SiO₂.

Пример 2

Трехмерную волокнистую структуру изготавливали, как описано в Примере 1, но совмещая последовательно пять слоев импрегнированной волокнистой ткани, 12 слоев, которые не были импрегнированы, и пять импрегнированных слоев. После сушки из полученной волокнистой структуры вырезали заготовку тормозного диска и подвергали ее термической обработке для превращения SiO₂ в SiC, перед уплотнением пироуглеродной матрицей методом химической инфильтрации из паровой фазы.

Таким образом получали тормозной диск, средняя часть которого практически не содержала частиц SiC, аналогично детали, очень схематично изображенной на фиг.7.

Пример 3

Выполняли процедуру, аналогичную описанной в Примере 1, но композиция для импрегнирования имела концентрацию TEOS 0,17 моль/л, величину рН около 3 и отношение H₂O/TEOS, равное 2. После образования волокнистой структуры при помощи сшивания, сушки и термической обработки присутствие частиц SiC наблюдалось в двух зонах разных размеров, как это можно видеть на фиг.10. Способ, по которому выбирают композицию для импрегнирования, может таким образом служить не только для получения частиц разного вида, но также и для получения структур различной морфологии.

Пример 4

Выполняли процедуру, аналогичную описанной в Примере 1, но использовали UD полотна из промежуточных углеродных волокон, то есть волокон на улучшенной стадии прекурсора углерода. Такие волокна представлены имеющимися в продаже углеродными волокнами или предварительно окисленными волокнами из полиакрилнитрила (ПАН), подвергнутыми предварительной карбонизации термической обработкой при температуре 900°С.

Конечное превращение углеродных волокон происходило во время термической обработки при температуре 1600°С, в ходе которой частицы SiO₂ превращались в частицы SiC, при этом была получена трехмерная структура из углеродных волокон, включающая дополнительные частицы SiC, аналогичная описанной в Примере 1.

Пример 5

Выполняли процедуру, аналогичную описанной в Примере 1, но золь-гель раствор прекурсора SiO₂ заменяли коллоидной суспензией ZrO₂ с массовой концентрацией 5%. После термической обработки при температуре 1600°С в течение 4 ч получали распределение частиц ZrC в трехмерной волокнистой структуре, как показано на фотографии, изображенной на фиг.11.

Изобретение относится к изготовлению деталей из углерод-углеродного композиционного материала для использования, например, в качестве дисков для тормозных авиационных систем. Одну или более чем одну двухмерную волокнистую ткань из углеродных волокон или прекурсоров углеродных волокон импрегнируют золь-гель раствором или коллоидной суспензией, обеспечивающими возможность дисперсии дискретных керамических частиц оставаться на волокнистой ткани. Золь-гель раствор содержит прекурсор оксида, а коллоидная суспензия - оксид, выбранный из группы: TiO₂, ZrO₂, HfO₂, SiO₂. Изготавливают волокнистую заготовку путем наложения слоев, сформованных из двухмерной ткани, изготовленной из углеродных волокон или прекурсоров углеродных волокон, причем, по меньшей мере, некоторые из слоев, по меньшей мере, частично сформованы из предварительно импрегнированной двухмерной ткани. Слои соединяют друг с другом и проводят термообработку при температуре 1400-1750°C, после чего волокнистую заготовку уплотняют углеродной матрицей. При термической обработке частицы оксида превращаются в частицы карбида. Технический результат изобретения - возможность контролируемым образом изменять концентрацию керамических частиц в заготовке и достижение необходимых механических свойств. 3 н. и 11 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Способ изготовления детали из углерод-углеродного композиционного материала, содержащего керамические частицы, включающий изготовление волокнистой заготовки с дискретными керамическими частицами оксида, диспергированными внутри волокнистой заготовки, и последующее уплотнение волокнистой заготовки углеродной матрицей, характеризующийся тем, что включает следующие стадии:
а) импрегнирование одной или более чем одной двухмерной волокнистой ткани из углеродных волокон или прекурсоров углеродных волокон в золь-гель растворе, содержащем прекурсор оксида, или в коллоидной суспензии частиц оксида, обеспечивающих возможность дисперсии дискретных керамических частиц оставаться на волокнистой ткани; и
б) изготовление волокнистой заготовки посредством наложения слоев, образованных из трехмерной ткани из углеродных волокон или прекурсоров углеродных волокон, и соединения этих слоев вместе, причем, по меньшей мере, некоторые из слоев, по меньшей мере, частично образованы из двухмерной ткани, предварительно импрегнированной на стадии а) с обеспечение контролируемой концентрации керамических частиц в волокнистой заготовке.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что двухмерную волокнистую ткань импрегнируют посредством непрерывного пропускания ткани через ванну.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что двухмерную волокнистую ткань импрегнируют путем напыления раствора или суспензии на непрерывно движущуюся ткань.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что импрегнирование осуществляют с помощью золь-гель раствора, содержащего прекурсор оксида, выбранного из TiO₂, ZrO₂, HfO₂, SiO₂.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что импрегнирование осуществляют с помощью золь-гель раствора, содержащего прекурсор оксида, отличного от SiO₂.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что импрегнирование осуществляют с помощью коллоидной суспензии частиц оксида, выбранного из TiO₂, ZrO₂, HfO₂, SiO₂.

7. Способ по п.6, отличающийся тем, что импрегнирование осуществляют с помощью коллоидной суспензии частиц оксида, отличного от SiO₂.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что частицы оксида превращают в частицы огнеупорного карбида в результате реакции волокон волокнистой ткани с углеродом при термической обработке.

9. Способ по п.8, отличающийся тем, что термическую обработку осуществляют в инертной атмосфере при температуре от 1400 до 1750°C.

10. Способ по п.1, отличающийся тем, что керамические частицы, распределенные на волокнистой ткани, составляют от 0,1 до 10%, предпочтительно от 0,1 до 5%, от массы изготавливаемого композиционного материала.

11. Способ по п.1, отличающийся тем, что слои соединяют вместе при помощи сшивания перед сушкой импрегнированной двухмерной волокнистой ткани.

12. Способ по любому из пп.1-11 для изготовления тормозного диска, имеющего трущиеся части, примыкающие к противолежащим граням диска, и центральную среднюю часть, передающую тормозной момент, в котором часть заготовки, составляющую волокнистое армирование средней части диска, изготавливают путем наложения неимпрегнированных слоев ткани и соединения этих слоев вместе, а части заготовки, составляющие волокнистое армирование трущихся частей, изготавливают путем наложения импрегнированных слоев ткани и соединения этих слоев вместе.

13. Тормозной диск из углерод-углеродного композиционного материала, включающего керамические частицы, полученный способом по п.12.

14. Тормозной диск по п.13, отличающийся тем, что в тех частях, которые содержат керамические частицы, эти частицы составляют от 0,1 до 5% от массы композиционного материала.