СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОРИСТОГО КАРКАСА-ОСНОВЫ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА Российский патент 2017 года по МПК B29C70/34 B29C67/20 B32B5/18 D04H1/488 C09K21/00 C04B35/524 

Описание патента на изобретение RU2620810C1

Изобретение относится к производству изделий из высокотемпературных композиционных материалов (КМ) для различных применений, включая авиационную и ракетно-космическую технику, двигателестроение, железнодорожную технику, энергетическое машиностроение и др.

Известен способ изготовления пористого каркаса-основы композиционного материала, включающий операции прессования и неокислительного отжига (карбонизации) пористой волокнистой заготовки [И.М. Буланов, В.В. Воробей. Технология ракетных и аэрокосмических конструкций из композиционных материалов. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1998. - 516 с.]. Согласно этому способу изготовление каркаса-основы композиционного материала производят путем пропитки наполнителя в виде нити, ленты или ткани связующим с высоким коксовым остатком, который прессуют в соответствии с требуемой формой изделия, и проводят неокислительный отжиг (карбонизацию).

Получаемый по такому способу каркас-основа композиционного материала из-за относительно грубой дискретности волокнистого наполнителя в виде нити, ткани или стержневого каркаса имеет неоднородную структуру, которая проявляется при шлифовании поверхности, что не позволяет, в частности, обеспечить на поверхности изделия шероховатость, сравнимую, например, с шероховатостью металла, что необходимо для ряда применений в качестве элементов конструкции (лопатки турбин, кромки крыльев и т.д.).

Требуемую однородность поверхностной структуры каркаса-основы можно обеспечить, используя короткие волокна (длиной до нескольких миллиметров). Такие хаотично армированные композиты широко используются, в частности, в тормозах для авиационной техники и высокоскоростного транспорта. Однако комплекс физико-механических характеристик получаемых из них композитов (прежде всего, прочность при растяжении) из-за низкой объемной доли волокна не позволяет использовать их в качестве конструкционных элементов для большого класса изделий.

Наиболее близким к предлагаемому способу по совокупности существенных признаков является способ получения каркаса-основы композиционного материала марки Novoltex, принятый за прототип [Alain LACOMBE, Thierry PICHON, Marc LACOSTE. 3D Carbon-Carbon composites are revolutionizing upper stage Liquid Rocket Engine performance by allowing introduction of large nozzle extension. 50th AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC Structures, Structural Dynamics, and Materials Conference<br>17th 4-7 May 2009, Palm Springs, California. Paper N° AIAA 2009-2678 / 119-SDM-75 High Temperature Materials session A. LACOMBE], включающий использование наполнителя в виде нити, ленты или ткани, слои которого соединяют методом иглопробивания со слоями разволокненного методами нетканых технологий штапельного полимерного волокна - окисленного полиакрилонитрила с высоким коксовым остатком, а затем карбонизуют для перевода полимерного компонента каркаса в неорганическое состояние.

Недостатком наиболее близкого по технической сущности способа является относительно узкая область его применения, поскольку он позволяет получать каркас-основу композиционного материала при приемлемом размере пор в пределах одного слоя (от 4 до 20-25 мкм), однако обладает значительным межслоевым пространством в каркасе типа Novoltex (0,75 мм), что не позволяет получить поверхностную шероховатость не выше, например, металлической.

Задачей, которая решается в изобретении, является расширение области применения способа с целью получения каркаса-основы композиционного материала, обладающего высокой температурной стойкостью, высокой прочностью и поверхностной шероховатостью не более шероховатости металла.

Требуемый технический результат заключается в расширении области применения способа с целью повышения качества и получения каркаса-основы композиционного материала, обладающего поверхностной шероховатостью не выше металлической.

Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что в способе, заключающемся в том, что подвергают иглопробиванию штапельный полимерный материал с высоким коксовым остатком и проводят последующую карбонизацию неокислительным отжигом, согласно изобретению в качестве штапельного полимерного материала с высоким коксовым остатком, который подвергают иглопробиванию для его разволоконения, используют нетканые холсты из такого материала, наносят на разволоконенные холсты связующее, а затем производят их прессование при температуре 120-200°С и давлении 3-5 МПа в течение 10-12 ч, а перед карбонизацией остужают до комнатной температуры, при этом используют связующее, плавящееся при температуре прессования, затвердевающееся при комнатной температуре и полностью разлагающееся при карбонизации, которую проводят путем обжига при температуре 1000°С в течение 1-2 ч с одновременным прессованием давлением 0,1-0,15 МПа.

Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что в качестве связующего используют замасливатель (например, четвертичный аминоэтоксилат), который наносится на штапельные волокна перед расчесом для обеспечения разволоконения.

На фиг. 1 представлена микроструктура углеродного каркаса-основы Novoltex, изготовленного по способу-прототипу, на фиг. 2 - микроструктура углеродного каркаса-основы по предлагаемому изобретению.

Способ изготовления пористого каркаса-основы композиционного материала осуществляется следующим образом.

Из штапелированного полимерного волокна длиной 50-60 мм, средней извитости и линейной плотностью 5 dtex на основе окисленного полиакрилонитрила, поликарбосилана, полисилазана или другого полимера, образующего после отжига высокий коксовый остаток соответственно в виде углерода, карбида или оксикарбида кремния, нитрида или карбонитрида кремния или другого неорганического соединения углеродного или керамического типа, методами нетканых технологий формируют холст, из которого набирают плоские или тубулярные заготовки, подвергают их иглопробиванию, а последующее нагревание основы композиционного материала производят до температуры 120-200°С и прессуют давлением 3-5 МПа в течение 10-12 ч при остывании до комнатной температуры, а карбонизацию после нагревания и прессования основы проводят путем обжига при температуре 1000°С в течение 1-2 ч с одновременным прессованием давлением 0,1-0,15 МПа.

Предварительно, перед формированием холста, на поверхность штапелированных волокон разбрызгиванием или каким-либо иным методом наносят слой органического вещества, плавящегося при температуре прессования 120-200°С и затвердевающего при комнатной температуре. Таким веществом может быть специально наносимый на поверхность штапельных волокон для облегчения прочеса замасливатель. По этой причине спрессованная заготовка сохраняет свою форму и размеры при комнатной температуре после снятия давления.

В ходе отжига происходит также пиролиз полимерных волокон, сопровождающийся значительной усадкой без потери нитями коксового остатка гибкости и сохранением значительной прочности. Усадка способствует скреплению заготовки без традиционно применяемых для этого высокококсовых связующих, причем плотность получаемых каркасов и объемная доля волокна в них позволяет изготавливать в том числе силовые конструкции (до 0,4-0,5 ρволокна). Заневоливание штапелированных волокон в объеме прессовки способствует их натяжению в ходе перехода из полимерного в неорганическое состояние, что способствует получению достаточно прочных волокон. Характерный размер структурной ячейки такого каркаса (фиг. 2) имеет размер от 4 до 29 мкм, что более чем в 25 раз меньше аналогичного размера каркаса Novoltex (фиг. 1).

Таким образом, достигается требуемый технический результат, заключающийся в расширении области применения способа с целью повышения качества и получения каркаса-основы композиционного материала, обладающего поверхностной шероховатостью не выше металлической.

Похожие патенты RU2620810C1

название год авторы номер документа
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОРИСТОГО КАРКАСА-ОСНОВЫ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА 2018
  • Богачев Евгений Акимович
RU2685130C1
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ГОФРИРОВАННОГО ЛИСТА ДЛЯ ТЕПЛООБМЕННИКА ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ 2014
  • Богачев Евгений Акимович
  • Елаков Александр Борисович
  • Белоглазов Александр Павлович
  • Быков Леонид Владимирович
RU2562274C1
Способ получения углеродного нетканого волокнистого материала 2017
  • Черненко Дмитрий Николаевич
  • Черненко Николай Михайлович
  • Щербакова Татьяна Сергеевна
  • Грудина Иван Геннадиевич
RU2670884C1
НЕТКАНЫЙ ИГЛОПРОБИВНОЙ МАТЕРИАЛ 2007
  • Белявцев Александр Николаевич
  • Файнер Дмитрий Исакович
RU2357028C2
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СЛОИСТЫХ ЗВУКОПОГЛОЩАЮЩИХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ 2015
  • Якимович Николай Викторович
  • Бухаров Сергей Николаевич
  • Кожушко Виктор Владимирович
  • Кушунина Надежда Алексеевна
  • Сергиенко Владимир Петрович
  • Хмара Анастасия Сергеевна
RU2604839C2
Пакет материалов для огнетеплозащитной одежды 2024
  • Ташпулатов Салих Шукурович
  • Расулова Мастура Кабиловна
  • Плеханов Алексей Федорович
  • Ходжаева Камола Турдиевна
  • Битус Евгений Иванович
  • Ахмедова Нилуфар Равшан Кизи
  • Норбоева Гуласал Нарзуллаевна
  • Ражапова Маргуба Назимовна
RU2826867C1
ПОЛУПРОНИЦАЕМЫЕ ТКАНИ ДЛЯ ТРАНСПОРТНЫХ ЛЕНТ И ПРЕССОВЫХ ТКАНЕЙ 2005
  • Хансен Роберт А.
RU2394119C2
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ УГЛЕРОДНОГО НЕТКАНОГО МАТЕРИАЛА 2015
  • Лысенко Александр Александрович
  • Асташкина Ольга Владимировна
  • Житенева Дарья Александровна
  • Перминов Ярослав Олегович
  • Вовк Василий Иосифович
  • Докучаев Владимир Николаевич
  • Полховский Михаил Васильевич
  • Крючков Олег Валерьевич
RU2593143C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ УГЛЕРОДНОГО НЕТКАНОГО МАТЕРИАЛА 2015
  • Лысенко Александр Александрович
  • Асташкина Ольга Владимировна
  • Житенева Дарья Александровна
  • Перминов Ярослав Олегович
  • Вовк Василий Иосифович
  • Докучаев Владимир Николаевич
  • Полховский Михаил Васильевич
  • Крючков Олег Валерьевич
RU2594451C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ УГЛЕРОД-УГЛЕРОДНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ИЗ УГЛЕПЛАСТИКОВ С ФТАЛОНИТРИЛЬНЫМИ МАТРИЦАМИ 2020
  • Алешкевич Владислав Владимирович
  • Булгаков Борис Анатольевич
  • Бабкин Александр Владимирович
  • Кепман Алексей Валерьевич
RU2745825C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 620 810 C1

Реферат патента 2017 года СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОРИСТОГО КАРКАСА-ОСНОВЫ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА

Изобретение относится к производству изделий из высокотемпературных композиционных материалов и может быть применено в авиационной, ракетно-космической и железнодорожной промышленности, в двигателестроении и энергетическом машиностроении. Для изготовления пористого каркаса-основы штапельный полимерный материал с высоким коксовым остатком в виде нетканых холстов подвергают иглопробиванию с целью его разволокнения. Наносят на разволокненные холсты связующее, а затем производят их прессование при температуре 120-200°С и давлении 3-5 МПа в течение 10-12 ч и остужают перед карбонизацией до комнатной температуры. Карбонизацию проводят путем обжига при температуре 1000°С в течение 1-2 ч с одновременным прессованием давлением 0,1-0,15 МПа. Используют связующее, плавящееся при температуре прессования, затвердевающее при комнатной температуре и полностью разлагающееся при карбонизации. Обеспечивается повышение качества каркаса-основы композиционного материала за счет придания ему поверхностной шероховатости не выше металлической. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Формула изобретения RU 2 620 810 C1

1. Способ изготовления пористого каркаса-основы композиционного материала, заключающийся в том, что подвергают иглопробиванию штапельный полимерный материал с высоким коксовым остатком и проводят его карбонизацию неокислительным отжигом, отличающийся тем, что в качестве штапельного полимерного материала с высоким коксовым остатком, который подвергают иглопробиванию для его разволокнения, используют нетканые холсты из такого материала, наносят на разволокненные холсты связующее, а затем производят их прессование при температуре 120-200°С и давлении 3-5 МПа в течение 10-12 ч, а перед карбонизацией остужают до комнатной температуры, при этом используют связующее, плавящееся при температуре прессования, затвердевающее при комнатной температуре и полностью разлагающееся при карбонизации, которую проводят путем обжига при температуре 1000°С в течение 1-2 ч с одновременным прессованием давлением 0,1-0,15 МПа.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве связующего используют четвертичный аминоэтоксилат.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2017 года RU2620810C1

US 7198739 B2, 03.04.2007
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МНОГОСЛОЙНОГО НАПОЛНИТЕЛЯ ИЗ УГЛЕРОДНЫХ ВОЛОКОН 1989
  • Талакина О.Н.
  • Тарасова А.В.
  • Ткаченко В.Г.
  • Люкшин Е.Н.
RU2065846C1
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЗАГОТОВКИ ИЗ УГЛЕРОДНОГО ВОЛОКНА ДЛЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ 1990
  • Мориц Джеймс Эванс[Gb]
  • Кейт Алан Вилльямс[Gb]
  • Рональд Фишер[Gb]
RU2072012C1
Способ получения смолосвязанных огнеупорных изделий преимущественно для конвертеров 1986
  • Соколов Геннадий Ефимович
  • Ларионов Евгений Давидович
  • Гонтарь Светлана Сергеевна
  • Кострицкая Светлана Павловна
  • Князев Ромуальдо-Георгий Константинович
  • Крыжановский Иван Григорьевич
  • Бычкова Светлана Григорьевна
  • Румянцева Валентина Николаевна
SU1353758A1
CN 102659441 B, 01.01.2014.

RU 2 620 810 C1

Авторы

Богачев Евгений Акимович

Елаков Александр Борисович

Белоглазов Александр Павлович

Денисов Юрий Анатольевич

Тимофеев Анатолий Николаевич

Даты

2017-05-29Публикация

2016-05-06Подача