СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ УГЛЕРОД-УГЛЕРОДОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА Российский патент 2017 года по МПК C01B31/00 C04B35/83 

Изобретение относится к области технологии композиционных материалов и может быть использовано для изготовления деталей теплозащиты, а также изделий медицинского назначения.

В структуре углерод-углеродных композиционных материалов можно выделить армирующую основу, состоящую из углеродных волокон, и углеродную матрицу, связывающую волокна в единый композит. Получение углерод-углеродных композиционных материалов включает в себя изготовление армирующей основы из углеродных волокон (методами выкладки или намотки волокон с учетом требований к ориентации волокна в материале) и последующее формирование углеродной матрицы. Одним из вариантов получения углеродной матрицы является термообработка армирующей основы в среде углеводородов при температуре, превышающей температуру их разложения. Такая матрица называется пироуглеродной матрицей.

Известен способ изготовления углерод-углеродного композиционного материала, описанный в патенте РФ №2225354. При реализации способа изготавливают пористую армирующую основу получаемого углерод-углеродного композиционного материала - каркас из углеродных волокон - и помещают ее в реакционную камеру коаксиально углеродному нагревателю. В качестве нагревателя используют стержень из углеродного материала, например из углерод-углеродного композиционного материала. Затем проводят осаждение пироуглеродной матрицы в порах армирующей основы. Осаждение проводят в среде природного газа в условиях температурного градиента в армирующей основе. Температура в зоне пиролиза достигает 900-1000°С, а зона пиролиза перемещается от стержневого нагревателя к периферии со скоростью не менее 0,03 мм/ч.

Недостатком известного способа является сложность его применения при изготовлении пластин из углерод-углеродного композиционного материала. Получаемый материал формируется в виде цилиндра, поэтому изготовление пластин может быть осуществлено только механической обработкой, что приводит к большим потерям материала. Кроме того, армирование волокнами осуществлено не в плоскости изготавливаемой пластины, что может ухудшать ее механические свойства.

Задачей изобретения является упрощение технологии изготовления пластин из углерод-углеродного композиционного материала.

Технический результат достигается тем, что при получении углерод-углеродного композиционного материала, включающем изготовление пористой армирующей основы из углеродных волокон и последующее формирование пироуглеродной матрицы в среде газообразных углеводородов при температуре выше температуры их разложения в условиях градиента температуры в армирующей основе, созданного нагревателем, установленным внутри армирующей основы, нагреватель выполнен из углеродной пластины с соотношением длина:ширина не менее 1.

Использование нагревателя, длина которого меньше ширины, нецелесообразно, т.к. неравномерность нагрева такого нагревателя по длине приводит к большой неоднородности получаемых материалов.

Предпочтительно, если длина нагревателя не превышает его ширину более чем в 20 раз, в противном случае снижается эффективность использования именно плоского нагревателя, т.к. по соотношению размеров и формы нагреватель приближается к известным цилиндрическим нагревателям, которые проще изготавливать и использовать в высокотемпературных печах.

Предпочтительно, чтобы формирование армирующей основы осуществлялось непосредственно на поверхности углеродного нагревателя методами выкладки или намотки углеродных нитей, жгутов, лент, тканей или войлока. Такой технологический прием упрощает технологию и снижает трудоемкость изготовления материала.

Сущность изобретения состоит в следующем.

В ряде случаев существует потребность изготовления тонких пластин из углерод-углеродного композиционного материала с пироуглеродной матрицей, например, толщиной от 2 до 10 мм. Обычно такие пластины получают, формируя матрицу изотермическим способом, т.е. обработкой армирующей основы в среде газообразных углеводородов при температуре, превышающей температуру их разложения, в условиях равномерного нагрева всей армирующей основы. Изотермический способ формирования пироуглеродной матрицы длительный и требует, например, 100-250 часов, что делает его трудоемким и энергоемким.

Предлагаемое техническое решение обеспечивает изготовление тонких пластин из углерод-углеродного композиционного материала методом синтеза пироуглеродной матрицы в условиях температурного градиента. Для реализации способа используют углеродный нагреватель в виде пластины. Он может быть изготовлен, например, из углеграфитового материала или из углерод-углеродного композиционного материала. На поверхности нагревателя (пластины) устанавливается пористая армирующая основа получаемого композита, которая выполнена из углеродных волокон. Например, пластина-нагреватель обматывается нитью, лентой, жгутом, тканью или войлоком из углеродного волокна. При этом выбирается и реализуется заранее установленный вид армирования, т.е. направления расположения углеродных волокон в армирующей основе и доля волокон, ориентированных в каждом из направлений. Важно, что в этом случае легко реализуется ориентация армирующих волокон параллельно плоскости пластины, что важно для придания ей повышенных механических свойств. Толщина армирующей основы, предпочтительно, должна превышать толщину изготавливаемой пластины из углерод-углеродного композиционного материала, например, на 1-3 мм. Предпочтительно, чтобы армирующая основа занимала не всю площадь пластины-нагревателя: по длине, по краям пластины-нагревателя остаются свободные от армирующей основы участки, необходимые для закрепления нагревателя в тоководы, подводящие напряжение к пластине-нагревателю.

После описанной подготовки заготовка, а именно нагреватель с армирующей основой, устанавливается в установку синтеза пироуглеродной матрицы. Для этого свободные от армирующей основы концы нагревателя устанавливаются в тоководы и заготовка изолируется от внешней атмосферы специальной камерой, в которую подают газовую смесь, содержащую газообразный углеводород или смесь углеводородов.

Пропусканием электрического тока через нагреватель нагревают армирующую основу. При этом температуру нагревателя выбирают таким образом, чтобы температура армирующей основы, прилегающей к нагревателю, была выше температуры разложения используемых углеводородов. В этой области в порах армирующей основы происходит процесс формирования пироуглеродной матрицы, которая связывает углеродные волокна в единый углерод-углеродный композиционный материал. Температура других областей армирующей основы, отстоящих от поверхности нагревателя и находящихся ближе к поверхности заготовки, существенно ниже температуры разложения используемых углеводородов. Это определено известными законами теплопроводности (закон Фурье) и подтверждается экспериментом. В указанных областях не происходит образование пироуглеродной матрицы.

В ходе процесса изготовления углерод-углеродного композиционного материала постепенно увеличивают температуру нагревателя, повышая тем самым температуру областей армирующей основы, отстоящих от нагревателя, и реализуя в них процесс синтеза пироуглеродной матрицы. После окончания процесса, отключения нагрева и остывания нагревателя полученный материал с нагревателем извлекают из камеры. При этом в некоторых случаях на поверхности армирующей основы может находиться слой с меньшим содержанием пироуглеродной матрицы. Его при необходимости удаляют, например, механической обработкой. Затем отделяют нагреватель от изготовленной на его поверхности углерод-углеродной пластины (например, механически).

Как показали эксперименты, время изготовления пластины (получают две пластины - с двух плоскостей пластины-нагревателя) толщиной 5 мм составляет, например, от 5 до 20 часов, что существенно меньше времени, необходимого для изготовления композита при изотермическом методе синтеза пироуглеродной матрицы.

В сравнении с известным способом получения пироуглеродной матрицы углерод-углеродного композиционного материала в условиях градиента температуры внутри армирующей основы, в котором используется цилиндрический нагреватель (стержень), предлагаемый способ упрощает получение именно пластин. При этом в пластине может быть заранее сформирована наиболее оптимальная армирующая основа, в которой углеродные волокна лежат в плоскости пластины, обеспечивая тем самым необходимые механические свойства пластине. Цилиндрический вид нагревателя в известном техническом решении определяет и цилиндрическую симметрию армирующей основы, а также цилиндрическую симметрию зоны формирования пироуглеродной матрицы в синтезируемом углерод-углеродном композиционном материале. Изготовление пластин из такого материала возможно механической обработкой, однако равномерное распределение армирующих волокон и пироуглеродной матрицы в плоскости пластины в большинстве случаев не будет реализовано.

Именно поэтому предлагаемое техническое решение позволяет упростить изготовление пластин из углерод-углеродного композиционного материала и обеспечить их оптимальное армирование, а следовательно, и механические свойства.

Следующий пример характеризует сущность предлагаемого изобретения.

Из углеграфитового материала марки МПГ-7 изготавливают нагреватель в виде пластины длиной 300 мм, шириной 100 мм и толщиной 3 мм. Нагреватель обматывают углеродной тканью марки Урал Т-2, формируя тем самым пористую армирующую основу (пористость - 52% об.) получаемого углерод-углеродного композиционного материала. Намотку осуществляют тканью шириной 250 мм, располагая ее в середине по длине нагревателя: нагреватель свободен от армирующей основы на 25 мм от каждого края по его длине. Намотку осуществляют до толщины слоя ткани 5 мм.

Полученную заготовку устанавливают в камеру установки синтеза пироуглеродной матрицы в условиях температурного градиента и нагреватель закрепляют в тоководах. Камеру закрывают и в нее подают природный газ с избыточным давлением 10 мм рт.ст. Избыток газа удаляют из камеры. На тоководы подают напряжение, обеспечивающее нагрев пластины нагревателя до температуры 980°С. Процесс синтеза осуществляют 8 часов, увеличивая каждый час температуру нагревателя на 10°С. После окончания процесса извлекают заготовку из установки. С внешней поверхности механической обработкой (фрезерование) удаляют слой толщиной 1,5 мм. Изготовленные две пластины (по двум плоскостям нагревателя) из углерод-углеродного композиционного материала механически отделяют от нагревателя.

В результате реализации способа по приведенному примеру изготовлены две пластины из углерод-углеродного композиционного материала размером 250×100×3,5 мм. Испытания свойств материала показали, что он имеет плотность 1,52 г/см³, прочность при трехточечном изгибе 45 МПа, модуль упругости 9 ГПа. Изготовленные пластины могут быть применены в качестве жаростойких экранов, а также для изготовления углеродных имплантатов для замещения костных дефектов.

Таким образом, применение предлагаемого технического решения позволяет упростить изготовление плоских пластин из углерод-углеродного композиционного материала и обеспечить их оптимальное армирование, а следовательно, и механическую прочность.

Изобретение может быть использовано для изготовления деталей теплозащиты и изделий медицинского назначения. Сначала изготавливают пористую армирующую основу из углеродных волокон на поверхности углеродного нагревателя методами выкладки или намотки углеродных нитей, жгутов, лент, тканей или войлока. Нагреватель выполнен из углеродной пластины с соотношением длина:ширина не менее 1 и расположен внутри армирующей основы. Затем формируют пироуглеродную матрицу в среде газообразных углеводородов при температуре выше температуры их разложения в условиях градиента температуры, созданного нагревателем. Изобретение позволяет упростить изготовление плоских пластин из углерод-углеродного композиционного материала и обеспечить их оптимальное армирование, а следовательно, и механическую прочность. 1 з.п. ф-лы.

1. Способ получения углерод-углеродного композиционного материала, включающий изготовление пористой армирующей основы из углеродных волокон и последующее формирование пироуглеродной матрицы в среде газообразных углеводородов при температуре выше температуры их разложения в условиях градиента температуры в армирующей основе, созданного нагревателем, установленным внутри армирующей основы, отличающийся тем, что нагреватель выполнен из углеродной пластины с соотношением длина:ширина не менее 1, а изготовление армирующей основы осуществляют на поверхности углеродного нагревателя методами выкладки или намотки углеродных нитей, жгутов, лент, тканей или войлока.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что нагреватель выполнен из углеродной пластины с соотношением длина:ширина в интервале 1-20.