СПОСОБ ПРОПИТКИ ПОЛОЙ ВОЛОКНИСТОЙ СТРУКТУРЫ Российский патент 2019 года по МПК B29C70/32 C22C47/00 B29C41/04 C04B35/71 

Уровень техники в области изобретения

Изобретение относится к способу пропитки полой волокнистой структуры.

Композиционные материалы, в частности композиты оксид/оксид можно получить обычным способом, укладывая друг на друга предварительно пропитанные слои, полученные двумерным тканьем. Однако способы такого типа ведут к получению многослойных композиционных материалов, чувствительных к процессу отслаивания при приложении механических напряжений.

Для повышения стойкости композиционных материалов к расслаиванию предпринимались попытки предотвратить образование границ раздела между двумерными слоями и по возможности использовать не двумерные тканые материалы, а один или несколько трехмерных тканых материалов. При этом предлагалось образовать матрицу путем введения тугоплавких твердых частиц в арматуру из волокон и последующего спекания этих частиц. Чтобы ввести тугоплавкие частицы в волоконную арматуру, применялись различные известные способы, такие, как аспирация субмикронных порошков (SPS). В таких способах тугоплавкие частицы вводят в волоконную арматуру из шликера, содержащего, в частности, порошок тугоплавких частиц, суспендированный в жидкой среде, причем этот шликер при необходимости может также включать органическое связующее и диспергатор.

Однако было установлено, что эти способы не могут гарантировать полностью удовлетворительных результатов, когда волоконная арматура имеет сложную форму, в частности, когда она имеет полую форму или большую толщину. Действительно, в подобных случаях эти способы могут быть довольно продолжительными и сложными в осуществлении, чтобы получить желаемое распределение тугоплавких частиц в волоконной арматуре. В частности, для полой детали в форме конуса, чтобы обойтись без использования укладок слоев ткани или тканей, может потребоваться довольно сложное оборудование, состоящее из большого числа элементов, а также сложная последовательность стадий для подготовки к формованию и извлечению из формы.

Известен также документ EP 0240177, в котором описан способ получения композитной детали.

Таким образом, существует потребность в способе обработки волоконной структуры полой формы, который позволял бы простое получение контролируемого распределения твердых тугоплавких частиц внутри указанной структуры и, следовательно, получение композитной детали с желаемыми свойствами.

В частности, существует потребность в способе обработки волокнистой структуры полой формы, который позволял бы просто получать однородное распределение твердых тугоплавких частиц внутри указанной структуры.

Предмет и сущность изобретения

С этой целью в первом варианте осуществления изобретение предлагает способ пропитки полой волокнистой структуры, причем способ включает по меньшей мере следующие стадии:

- введение первой суспензии, содержащей первый порошок твердых частиц из керамического материала или углерода во внутренний объем, ограниченный внутренней стороной волокнистой структуры, помещенной в форму, при этом наружная сторона волокнистой структуры находится напротив стенки формы, и

- пропитка волокнистой структуры первой суспензией под действием центробежной силы, приводя форму во вращение и изменяя скорость вращения формы во время пропитки структуры первой суспензией.

Кроме того, во втором варианте осуществления изобретение предлагает способ пропитки полой волокнистой структуры, включающий по меньшей мере следующие стадии:

- введение первой суспензии, содержащей первый порошок твердых частиц из керамического материала или углерода, во внутренний объем, ограниченный внутренней стороной полой волокнистой структуры, помещенной в форму, при этом наружная сторона волокнистой структуры находится напротив стенки формы, и

- пропитка волокнистой структуры первой суспензией под действием центробежной силы, создаваемой путем вращения формы;

- после пропитки волокнистой структуры первой суспензией, введение второй суспензии во внутренний объем, причем вторая суспензия содержит твердые частицы из керамического материала или углерода и отличается от первой суспензии; и

- пропитка волокнистой структуры второй суспензией под действием центробежной силы, приводя форму во вращение, причем пропитку структуры первой суспензией и пропитку структуры второй суспензией проводят с разными скоростями вращения формы.

Второй порошок может отличаться от первого порошка. Так, в одном примере осуществления материал, из которого образованы частицы второго порошка, может отличаться от материала, из которого образованы частицы первого порошка. Как вариант, средний размер частиц первого порошка может отличаться от среднего размера частиц второго порошка. Если не указано иное, под "средним размером" понимается размер, задаваемый статистическим гранулометрическим распределением и соответствующий половине популяции, называемый D50. Можно также, чтобы первый и второй порошки отличались распределением частиц по размеру. В другом варианте частицы первого порошка могут иметь геометрическую форму, отличную от формы частиц второго порошка. Альтернативно или в комбинации, концентрация твердых частиц первого порошка в первой суспензии может отличаться от концентрации твердых частиц второго порошка во второй суспензии.

В первом и втором вариантах осуществления, описанных выше, вращение формы приводит к воздействию центробежной силы на первую суспензию, что позволяет пропитать волокнистую структуру первой суспензией. Кроме того, во втором описанном выше варианте осуществления вращение формы приводит к воздействию центробежной силы на вторую суспензию, что позволяет пропитать волокнистую структуру, уже содержащую частицы первого порошка, второй суспензией.

Оба варианта осуществления изобретения позволяют пропитать волокнистую структуру по меньшей мере одной суспензией твердых частиц из керамического материала или углерода под действием центробежной силы, создаваемой вращением формы, и при изменении скорости вращения формы во время пропитки.

В обоих описанных выше вариантах осуществления изменение скорости вращения формы во время пропитки позволяет удовлетворительно контролировать распределение частиц в полой волокнистой структуре и, в частности, при желании позволяет получить однородное распределение частиц даже для структур значительной толщины или имеющих переменную проницаемость по толщине. В отличие от случая, когда волокнистая структура пропитывается путем центрифугирования сплошной фазой, такой как смола, пропитка волокнистой структуры суспензией твердых частиц представляет дополнительную сложность, связанную со способностью частиц суспензии перемещаться через поровую систему в волокнистой структуре. Хотя достичь удовлетворительного результата пропитки волокнистой структуры смолой под действием центробежной силы можно и при постоянной скорости вращения формы во время пропитки, результаты такого качества не всегда можно получить, если заменить смолу суспензией частиц, в частности, когда структура имеет относительно большую толщину. Поэтому изобретение предлагает решение конкретной проблемы пропитки волокнистой структуры одной или более суспензиями твердых частиц, основанное на том, что скорость вращения формы меняется во время пропитки волокнистой структуры этой суспензии или суспензиями.

В одном примере первого варианта осуществления пропитку структуру первой суспензией можно реализовать, используя сначала первую постоянную скорость вращения формы, а затем заставляя форму вращаться со второй постоянной скоростью, причем вторая скорость вращения отличается от первой скорости вращения.

В этом случае пропитку волокнистой структуры первой суспензией реализуют, устанавливая сначала скорость вращения формы на первое ненулевое значение, а затем изменяя скорость вращения формы так, чтобы установить ее на второе ненулевое значение, которое отличается от первого.

Этот пример осуществления позволяет пропитать преимущественно первую зону толщины волокнистой структуры первой суспензией на первой ступени пропитки, когда форма вращается с первой скоростью вращения, и пропитать преимущественно вторую зону толщины волокнистой структуры первой суспензией на второй ступени пропитки, когда форма вращается со второй скоростью вращения. Первая и вторая зоны могут быть непересекающимися или могут частично перекрываться.

Выражение "пропитать преимущественно зону толщины волокнистой структуры суспензией на ступени пропитки" следует понимать так, что более 50%, например, по меньшей мере 75% частиц указанной суспензии, проникающей в волокнистую структуру на указанной ступени пропитки, будет присутствовать в указанной зоне по окончании этой ступени пропитки.

В одном примере первого варианта осуществления первая скорость вращения может быть выше, чем вторая скорость вращения.

Такой пример осуществления выгоден, в частности, когда желательно однородно пропитать относительно толстую структуру. Действительно, использование "высокой" первой скорости вращения позволяет приложить к частицам достаточную центробежную силу, чтобы гарантировать их миграцию через пористую систему в наружную зону толщины структуры, а использование "низкой" второй скорости вращения позволяет, уменьшая центробежную силу, приложенную к частицам, пропитать преимущественно внутреннюю зону толщины структуры. Этот пример осуществления может быть также выгоден в случае волокнистой структуры с переменной проницаемостью, имеющей низкую проницаемость во внутренней зоне своей толщины. В этом случае выгодно сначала использовать "повышенную" скорость вращения, чтобы приложить достаточную центробежную силу к частицам, позволяя им пройти через внутреннюю зону низкой проницаемости и, тем самым, мигрировать в наружную зону толщины структуры, а затем скорость вращения снижают, чтобы заполнить частицами внутреннюю зону толщины структуры.

Альтернативно, в случае первого варианта осуществления вторая скорость вращения может быть выше, чем первая скорость вращения.

В другом примере первого варианта осуществления в продолжение всей пропитки волокнистой структуры первой суспензией профиль скорости вращения формы не имеет участка постоянной скорости. В этом случае скорость вращения формы может, например, строго возрастать или строго убывать на всем протяжении пропитки волокнистой структуры первой суспензией.

В одном примере второго варианта осуществления структуру можно пропитать первой суспензией, используя первую постоянную скорость вращения формы, а затем структуру можно пропитать второй суспензией, используя вторую постоянную скорость вращения формы, причем вторая скорость вращения отличается от первой скорости вращения.

В этом случае пропитку волокнистой структурой первой суспензией осуществляют, устанавливая скорость вращения формы на первое ненулевое значение, а затем волокнистую структуру пропитывают второй суспензией, устанавливая скорость вращения формы на второе ненулевое значение, отличное от первого значения.

Этот пример осуществления позволяет пропитать преимущественно первую зону толщины волокнистой структуры первой суспензией на первой ступени пропитки, когда форма вращается с первой скоростью вращения, и пропитать преимущественно вторую зону толщины волокнистой структуры второй суспензией на второй ступени пропитки, когда форма вращается со второй скоростью вращения, причем вторая зона отличается от первой зоны. Первая и вторая зоны могут быть непересекающимися или могут частично перекрываться.

В одном примере второго варианта осуществления первая скорость вращения может быть выше, чем вторая скорость вращения.

Как пояснялось выше в контексте первого варианта осуществления, такой пример осуществления выгоден, в частности, когда желательно однородно пропитать порошками, отличающимися, в частности, в отношении материала, из которого образованы твердые частицы, или средним размером твердых частиц, относительно толстую структуру или структуру с переменной проницаемостью, имеющую низкую проницаемость во внутренней зоне свой толщины.

Альтернативно, во втором варианте осуществления вторая скорость вращения может быть выше, чем первая скорость вращения.

В другом примере второго варианта осуществления на всем протяжении пропитки волокнистой структуры первой и второй суспензиями профиль скорости вращения формы не имеет участка постоянной скорости. В этом случае скорость вращения формы может, например, строго возрастать или строго убывать на протяжении всей пропитки волокнистой структуры первой и второй суспензиями.

В одном примере осуществления направление вращения формы может меняться на обратное один или более раз в течение пропитки волокнистой структуры первой суспензией и/или в течение пропитки волокнистой структуры второй суспензией.

Такой пример осуществления выгоден, чтобы при желании обеспечить однородное распределение частиц в волокнистой структуре.

Как вариант, направление вращения формы может не изменяться на всем протяжении пропитки волокнистой структуры первой суспензией и/или на всем протяжении пропитки волокнистой структуры второй суспензией.

В одном примере осуществления первую и/или вторую суспензию можно ввести во внутренний объем распылением, например, используя одно или несколько распылительных устройств, приводимых в поступательное и/или вращательное движение во время распыления.

В одном примере осуществления волокнистая структура может быть осесимметричной.

Например, волокнистая структура может иметь форму усеченного конуса. Как вариант, волокнистая структура может иметь цилиндрическую форму.

В одном примере осуществления волокнистая структура может быть получена двухмерным или трехмерным тканьем.

Волокнистая структура может содержать нити из керамического материала или углерода. В частности, волокнистая структура может содержать керамические нити из тугоплавкого оксида, а частицы первого порошка и/или частицы второго порошка могут быть керамическими частицами из тугоплавкого оксида.

Настоящее изобретение предлагает также способ получения композитной детали, включающий по меньшей мере следующие стадии:

- пропитка волокнистой структуры по меньшей мере первой суспензией способом, описанным выше,

- удаление по меньшей мере жидкой среды первой суспензии, пропитывающей волокнистую структуру, и

- образование матричной фазы, путем уплотнения волокнистой структуры, из меньшей мере частиц первого порошка, чтобы получить деталь из композиционного материала.

Полученная таким способом деталь из композиционного материала может представлять собой трубу, кожух или колесо турбины.

В одном примере осуществления матричная фаза может быть образована, полностью или частично, путем спекания частиц первого порошка. После получения детали ее можно механически обработать обычным способом, чтобы придать ей желаемые размеры, и/или нанести на нее по меньшей мере одно покрытие, чтобы снабдить, например, тепловым барьером или барьером, защищающим от влияния окружающей среды.

Краткое описание чертежей

Другие характеристики и преимущества изобретения выявятся из следующего описания частных примеров осуществления изобретения, которые приводятся в качестве неограничивающих примеров, с обращением к приложенным чертежам, на которых:

- фигура 1 показывает полую волокнистую структуру, помещенную в форму, предназначенную для обработки способом по изобретению;

- фигура 2 представляет собой сечение по линии II-II с фигуры 1;

- фигура 3 показывает форму с фигур 1 и 2, снабженную распылительным устройством, предназначенным для введения суспензии твердых частиц во внутренний объем;

- фигура 4 показывает реализацию одного примера стадии пропитки волокнистой структуры, осуществляемой в рамках способа по изобретению;

- фигура 5 является графиком, показывающим пример изменения скорости вращения формы на стадии пропитки, показанной на фигуре 4;

- фигура 6 очень схематично показывает результат, который может быть получен после пропитки в соответствии со вторым вариантом осуществления изобретения; и

- фигуры 7 и 8 иллюстрируют реализацию различных вариантов стадий пропитки волокнистой структуры согласно изобретению.

В целях удобочитаемости относительные размеры различных элементов на фигурах соблюдаются не всегда.

Подробное описание вариантов осуществления

Ниже описываются примеры средств, подходящих для образования волокнистой структуры, предназначенной для применения в рамках способа согласно изобретению.

Волокнистая структура может быть получена многослойным тканьем между множеством слоев нитей основы и множеством слоев нитей утка. Многослойное тканье можно осуществить, в частности, путем интерлочного тканья, т.е., тканья с переплетением, при котором каждый слой уточных нитей соединяется с несколькими слоями нитей основы, причем все нити в одном столбце утка имеют одинаковое перемещение в плоскости переплетения. Конечно, можно использовать и другие типы многослойного тканья.

Когда волокнистую структуру получают путем тканья, его можно осуществить с нитями основы, простирающимися в продольном направлении волокнистой структуры, причем следует отметить, что возможно также ткать, когда в продольном направлении простираются уточные нити.

В одном варианте осуществления можно использовать керамические нити, выполненные из тугоплавкого оксида, нити из карбида кремния или углеродные нити. Разные подходящие варианты многослойного тканья описаны в документе WO 2006/136755.

Волокнистую структуру можно также получить путем сборки по меньшей мере двух волокнистых структур. В этом случае две волокнистые структуры можно скрепить вместе, например, путем сшивания или иглопробивания. В частности, каждая из волокнистых структур может быть получена из одного слоя или системы нескольких слоев из:

- одномерной ткани (UD),

- двумерной ткани (2D),

- плетеной тесьмы,

- трикотажа,

- войлока,

- однонаправленного (UD) полотна нитей или проводов, или мультинаправленных (nD) полотен, полученных наложением нескольких UD-полотен в разных направлениях и скрепления UD-потолен, например, сшиванием, с помощью химического связующего или иглопробиванием.

В случае системы нескольких слоев они могут быть скреплены друг с другом, например, сшиванием, введением жестких нитей или элементов или иглопробиванием.

После изготовления полой структуры 1 ее помещают в форму, позиционируя так, чтобы наружная сторона 1b структуры 1 находилась напротив боковой стенки 3 формы, как показано на фигурах 1 и 2. Как показано, волокнистая структура 1 является полой и ограничивает внутренний объем 2. В показанном примере форма, а также структура 1 имеют осесимметричную геометрическую форму, в данном случае усеченноконическую. Рамки изобретения охватывают также случаи, когда форма и структура имеют другие геометрические формы, такие, например, так цилиндрическая. Внутренняя сторона 1a структуры 1, находящаяся в форме, ограничивает внутренний объем 2, в который предназначено вводить одну или более суспензий. Перед осуществлением стадии пропитки структура 1, находящаяся в форме, может быть сухой и, возможно, не содержит никаких твердых частиц в своих внутренних порах. Альтернативно, перед помещением в форму структуру 1 можно подвергнуть стадии предварительной пропитки, что ведет к проникновению твердых частиц в ее внутренние поры. После помещения структуры 1 в форму, форму закрывают с одного конца нижней стенкой 4. Структуру 1 можно ввести в форму вручную. После введения структуры 1 в форму она удерживается на месте, например, благодаря закреплению кромок структуры на форме, причем такое закрепление можно осуществить посредством дополнительных элементов, таких как винты, или с помощью клея. Удерживать структуру 1 в форме можно также с помощью перфорированного полого сердечника, который помещают напротив внутренней стороны структуры 1. Этот сердечник имеет множество отверстий, позволяющих жидкой среде пройти через них, чтобы пропитать структуру 1.

Толщина e₁ структуры 1 может быть больше или равна 0,5 мм, например, лежать в интервале от 0,5 мм до 10 мм. Толщина волокнистой структуры соответствует ее наименьшему поперечному размеру.

Форму подсоединяют к системе вращения (не показана), позволяющей привести форму во вращение вокруг оси вращения X, которая в показанном примере соответствует также продольной оси структуры 1.

После размещения структуры 1 в форме в последнюю через край 5 формы, который находится на отдалении от нижней стенки 4, как показано на фигуре 3, вводят устройство 7 для распыления суспензии твердых частиц. На своей поверхности распылительное устройство 7 имеет множество отверстий 8, через которые предназначено вводить суспензию твердых частиц во внутренний объем 2.

Чтобы осуществить пропитку структуры 1, форму закрывают на ее конце 5 крышкой 9. После этого во внутренний объем 2 вводят первую суспензию 10, содержащую первый порошок твердых частиц из керамического материала или углерода, суспендированный в жидкой среде, как показано на фигуре 4. В показанном примере первую суспензию 10 вводят во внутренний объем 2 распылением, используя распылительное устройство 7. Согласно второму варианту осуществления изобретения, распылительное устройство 7 сначала распыляет первую суспензию во внутренний объем 2, а затем будет распылять вторую суспензию. Вторая суспензия содержит второй порошок твердых частиц из керамического материала или углерода, суспендированный в жидкой среде, причем вторая суспензия отличается от первой суспензии. Так, как пояснялось выше, материал, из которого образованы частицы второго порошка, может отличаться от материала, из которого образованы частицы первого порошка, и/или первая и вторая суспензии могут иметь разные концентрации твердых частиц. Наряду с вариантом, показанным на фигуре 4, возможны и другие варианты введения по меньшей мере одной суспензии твердых частиц во внутренний объем 2, как будет более подробно описано ниже. Форму приводят во вращение с ненулевой скоростью вращения вокруг оси вращения X, чтобы пропитать структуру 1 по меньшей мере первой суспензией 10 под действием центробежной силы. Вращение формы может быть инициировано до или во время введения первой суспензии 10 во внутренний объем 2.

В рамках первого и второго вариантов осуществления изобретения скорость вращения формы во время пропитки изменяется. График на фигуре 5 показывает одну возможность изменения скорости вращения формы. Так, на первой ступени пропитки форму можно вращать с первой постоянной скоростью вращения v₁, затем постепенно уменьшать скорость вращения формы до второй скорости вращения v₂, а затем осуществить вторую ступень пропитки, на которой скорость вращения формы поддерживают на значении v₂. Продолжительность первой ступени пропитки может быть больше, равной или меньшей продолжительности второй ступени пропитки. Как пояснялось выше, такое изменение скорости вращения формы в рамках первого варианта осуществления позволяет однородно пропитать структуру 1 частицами первого порошка. Профиль изменения скорости вращения формы, показанный на фигуре 5, можно также использовать в рамках второго варианта осуществления изобретения. В этом случае на первой ступени пропитки можно пропитать преимущественно наружную зону Z_e толщины структуры 1 первой суспензией, а на второй ступени пропитки можно пропитать преимущественно внутреннюю зону Z_i толщины структуры 1 второй суспензией. На фигуре 6 показан результат, какой можно получить в этом случае. Фигура 6 показывает, что наружная зона Z_e структуры 1 была пропитана преимущественно частицами 11 первого порошка, а внутренняя зона Z_i структуры 1 была пропитана преимущественно частицами 13 второго порошка.

Разумеется, как для первого, так и для второго варианта осуществления изобретения возможны и другие профили изменения скорости вращения формы, чем показанный на фигуре 5. В частности, можно иметь более двух участков постоянной скорости и, возможно, повысить скорость вращения формы до третьего значения, большего, чем v₂ после второй ступени пропитки. Альтернативно, первая скорость, используемая на первой ступени пропитки, может быть меньше второй скорости, используемой на второй ступени пропитки. Изменение профиля скорости вращения формы позволяет контролировать реализуемую пропитку и, как следствие, получить заданное распределение частиц в волокнистой структуре. В частности, так можно получить однородную пропитку/распределение или неоднородную пропитку/распределение с контролируемым изменением распределения твердых частиц по толщине структуры.

Независимо от используемого профиля изменения скорости вращения формы, в рамках первого варианта осуществления изобретения можно пропитать структуру 1 первой суспензией до насыщения (т.е., до полного заполнения). В этом случае вращение формы останавливают после полного заполнения структуры.

Независимо от используемого профиля изменения скорости вращения формы, в рамках второго варианта осуществления изобретения можно пропитать структуру 1 до ее насыщения первой суспензией и второй суспензией. В этом случае вращение формы останавливают после полного заполнения структуры.

Независимо от используемого профиля изменения скорости вращения формы и независимо от рассматриваемого варианта осуществления изобретения, распылительное устройство 7 во время пропитки структуры 1 можно привести в поступательное перемещение вдоль оси вращения X. Так, конец 5 распылительного устройства 7 может осуществлять множество возвратно-поступательных перемещений между двумя разными позициями, разнесенными по оси вращения X. Независимо или в комбинации с этим поступательным перемещением, какое было описано выше, распылительное устройство 7 можно также привести во вращение по время пропитки структуры 1. В этом случае распылительное устройство 7 может вращаться в том же направлении вращения, что и форма, или в противоположном направлении, с той же скоростью вращения, что и форма, или с другой скоростью вращения. Придание поступательного и/или вращательного движения распылительному устройству 7 позволяет с успехом еще больше улучшить однородность осуществляемой пропитки. Как вариант, распылительное устройство 7 остается неподвижным в продолжение всей пропитки структуры.

В одном примере осуществления направление вращения формы и/или распылительного устройства 7 может меняться на обратное один или более раз во время пропитки.

Например, скорость вращения формы в течение всей или части пропитки структуры первой суспензией и/или второй суспензией может быть больше или равна 1 об/мин, например, лежать в интервале от 1 об/мин до 5000 об/мин.

Вязкость первой суспензии и/или второй суспензии, измеренная на вискозиметре типа Брукфилда при температуре 20°C, может составлять примерно 30 мПа·с.

Объемное содержание твердых частиц в первой суспензии и/или во второй суспензии может быть меньше или равным 40%. Объемное содержание твердых частиц в первой суспензии и/или во второй суспензии может быть больше или равно 20%, например, лежать в интервале от 20% до 40%. Изобретение позволяет с успехом использовать суспензии с относительно высоким содержанием твердых частиц, так как даже если такие суспензии имеют относительно высокую вязкость, можно, тем не менее, осуществить пропитку суспензиями этого типа, повысив скорость вращения формы.

Обычно первая суспензия и/или вторая суспензия могут содержать органическое связующее.

В одном непоказанном варианте с помощью одной формы можно одновременно пропитать несколько полых волокнистых структур одной и той же или разными суспензиями твердых частиц. В этом случае во внутреннем объеме формы имеется по меньшей мере одна перегородка, которая ограничивает две разные камеры обработки, причем волокнистая структура присутствует в каждой из камер обработки.

На фигуре 3 показано распылительное устройство 7, имеющее однородно распределенные отверстия 8, причем все эти отверстия 8 имеют одинаковый размер. Естественно, случай, когда это не так, также охватывается настоящим изобретением. Действительно, распылительное устройство может, как вариант, иметь первый набор отверстий, имеющих первый размер, и второй набор отверстий, имеющих второй размер, отличный от первого. Первый набор отверстий может располагаться в первой области распылительного устройства, отличной, или даже не пересекающейся со второй областью распылительного устройства, в которой находится второй набор отверстий. Первая и вторая области могут быть смещены по оси вращения X. Например, первый размер может быть больше второго размера, и первый набор отверстий может находиться напротив зоны волокнистой структуры, диаметр которой больше диаметра зоны волокнистой структуры, находящейся напротив второго набора отверстий. Как вариант, отверстия первого и отверстия второго набора могут смешиваться на поверхности распылительного устройства.

Альтернативно или в комбинации с указанными выше характеристиками, относящимися к размеру отверстий, частота расположения отверстий может меняться по поверхности распылительного устройства. Так, в первой области распылительное устройство может иметь отверстия с первой частотой, а во второй области, отличной от первой, оно может иметь отверстия, расположенные со второй частотой, отличной от первой. Первая и вторая области могут быть смещены относительно оси вращения X. Например, первая частота может быть больше второй частоты, и первая область может находиться напротив зоны волокнистой структуры, имеющей диаметр больше, чем диаметр зоны, находящейся напротив второй области.

Альтернативно или в комбинации с указанными выше характеристиками, геометрическое распределение отверстий в распылительном устройстве может меняться по оси вращения X, причем отверстия могут располагаться, например, в шахматном порядке.

В одном примере осуществления между наружной поверхностью 1b волокнистой структуры 1 и боковой стенкой 3 формы может иметься слой пористого материала (не показан). Этот слой пористого материала позволяет отвести жидкую среду суспензии или суспензий, введенных в волокнистую структуру, позволяя оставить твердые частицы, введенные в волокнистую структуру. Использование слоя пористого материала, позволяющего избирательно дренировать жидкую среду, дает возможность аккумулировать твердые частицы в волокнистой структуре и, таким образом, увеличить объемную долю матрицы, полученной на выходе процесса.

По окончании пропитки волокнистой структуры, жидкую среду первой суспензии и, возможно, второй суспензии, удаляют. Это можно сделать путем нагрева или отсасывания (под вакуумом). Так, форму можно снабдить нагревательным элементом, или поместить в нагретую камеру, или же соединить с перекачивающим устройством, позволяющим откачать жидкую среду.

Таким образом, композиционную деталь, в которой волокнистая структура образует волоконную арматуру, можно получить, создавая уплотненную матричную фазу, например, путем спекания твердых частиц, присутствующих в волокнистой структуре. Альтернативно, если, например, введенные твердые частицы являются углеродными частицами, матричную фазу можно образовать, пропитывая волокнистую структуру расплавленным составом на основе кремния, получая матричную фазу карбида кремния в результате реакции между углеродом, введенным в волокнистую структуру, и расплавленным кремнием. Этот пример осуществления, согласно которому матричная фаза образуется в результате проникания расплавленного состава, можно применять также, когда твердые частицы, введенные в структуру центрифугированием, являются керамическими частицами, например, частицами карбида и/или нитрида.

На фигуре 7 показан один вариант стадии пропитки согласно изобретению, в котором применяются два распылительных устройства 7a и 7b. Устройства 7a и 7b размещены на соответствующих противоположных краях формы. Такая конфигурация может использоваться в контексте первого варианта осуществления изобретения или второго варианта осуществления изобретения.

Аналогично описанному выше, устройство 7a и/или устройство 7b во время пропитки могут приводиться во вращательное и/или поступательное движение.

На фигуре 8 показан один вариант способа пропитки согласно изобретению. В примере с фигуры 8 первую суспензию 10 вводят, выливая во внутренний объем. Суспензию вводят через конец 5, расположенный на противоположной стороне от нижней стенки 4 формы. Затем форму приводят во вращение, как подробно описано выше, чтобы пропитать структуру 1 по меньшей мере первой суспензией 10. В примере, показанном на фигуре 8, можно вылить первую часть первой суспензии во внутренний объем, а затем привести форму во вращение, чтобы пропитать структуру 1 указанной первой частью, после чего вылить вторую часть первой суспензии во внутренний объем, чтобы пропитать структуру 1 во время вращения формы указанной второй частью. Альтернативно или в комбинации, после пропитки структуры 1 первой суспензией 10 можно вылить вторую суспензию во внутренний объем и пропитать структуру 1 второй суспензией благодаря вращению формы. Как показано на фигуре 8, первая и, факультативно, вторая суспензия, введенные в форму, могут по существу полностью заполнить внутренний объем.

Пример

Волокнистую структуру в форме усеченного конуса с малым диаметром 20 см и большим диаметром 40 см, выполненную из волокон оксида алюминия "Nextel 610" (поставщик фирма 3M) помещали в форму. Как показано на фигуре 1, наружная сторона структуры находится напротив боковой стенки формы, а внутренняя сторона структуры ограничивает внутренний объем. Суспензию порошка оксида алюминия типа SM8 с концентрацией 20 об.%, вводили во внутренний объем. Для осуществления пропитки сначала устанавливали скорость вращения формы 1500 об/мин на 30 минут, а затем скорость снижали до 750 об/мин и поддерживали на этом новом значении в течение 30 мин.

По окончании пропитки волокнистой структуры жидкую среду суспензии удаляли путем выпаривания в вакууме при давлении меньше или равном 20 мбар. Затем частицы оксида алюминия спекали. Объем вводимой суспензии выбирали так, чтобы после спекания получить деталь с объемной долей волокон примерно 50% и объемной долей матрицы примерно 32%.

Выражение "составляет от … до …" или "лежит в интервале от … до …" следует понимать как включающее границы.

Изобретение относится к способу пропитки волокнистой структуры полой формы. Техническим результатом является упрощение распределения частиц внутри структуры. Технический результат достигается способом пропитки волокнистой структуры полой формы, который включает введение первой суспензии, содержащей первый порошок твердых частиц из керамического материала или углерода, во внутренний объем, ограниченный внутренней стороной полой волокнистой структуры, помещенной в форму. Причем наружная сторона волокнистой структуры находится напротив стенки формы. Затем следует пропитка волокнистой структуры первой суспензией под действием центробежной силы, путем приведения формы во вращение и изменения скорости вращения формы во время пропитки структуры первой суспензией. 3 н. и 10 з.п. ф-лы, 8 ил., 1 пр.

1. Способ пропитки волокнистой структуры полой формы, включающий по меньшей мере следующие стадии:

введение первой суспензии (10), содержащей первый порошок твердых частиц из керамического или углеродного материала, во внутренний объем (2), ограниченный внутренней стороной (1a) полой волокнистой структуры (1), помещенной в форму, причем наружная сторона (1b) волокнистой структуры (1) находится напротив стенки (3) формы; и

пропитка волокнистой структуры (1) первой суспензией (10) под действием центробежной силы, приводя форму во вращение и изменяя скорость вращения формы во время пропитки структуры (1) первой суспензией (10).

2. Способ пропитки волокнистой структуры полой формы, включающий по меньшей мере следующие стадии:

введение первой суспензии (10), содержащей первый порошок твердых частиц из керамического или углеродного материала, во внутренний объем (2), ограниченный внутренней стороной (1a) полой волокнистой структуры (1), помещенной в форму, при этом наружная сторона (1b) волокнистой структуры находится напротив стенки (3) формы, и

пропитка волокнистой структуры (1) первой суспензией (10) под действием центробежной силы, создаваемой путем вращения формы;

после пропитки волокнистой структуры (1) первой суспензией (10), введение второй суспензии во внутренний объем (2), причем вторая суспензия содержит твердые частицы из керамического или углеродного материала и отличается от первой суспензии; и

пропитка волокнистой структуры (1) второй суспензией под действием центробежной силы, приводя форму во вращение, причем пропитку структуры (1) первой суспензией (10) и пропитку структуры второй суспензией проводят с разными скоростями вращения формы.

3. Способ по п. 1, причем структуру (1) пропитывают первой суспензией (10), используя сначала первую постоянную скорость вращения формы, а затем, заставляя форму вращаться со второй постоянной скоростью вращения, причем вторая скорость вращения отличается от первой скорости вращения.

4. Способ по п. 3, причем первая скорость вращения выше, чем вторая скорость вращения.

5. Способ по п. 2, причем структуру (1) пропитывают первой суспензией (10), используя первую постоянную скорость вращения формы, а затем структуру (1) пропитывают второй суспензией, используя вторую постоянную скорость вращения формы, причем вторая скорость вращения отличается от первой скорости вращения.

6. Способ по п. 5, причем первая скорость вращения выше, чем вторая скорость вращения.

7. Способ по п. 1, причем направление вращения формы меняют на обратное один или более раз во время пропитки волокнистой структуры (1) первой суспензией (10) и/или во время пропитки волокнистой структуры (1) второй суспензией.

8. Способ по п. 1, причем первую и/или вторую суспензию вводят во внутренний объем путем распыления одним или несколькими распылительными устройствами (7; 7a; 7b), причем во время распыления распылительные устройства (7; 7a; 7b) приводятся в поступательное и/или вращательное перемещение.

9. Способ по п. 1, причем волокнистая структура (1) является осесимметричной.

10. Способ по п. 1, причем волокнистая структура (1) получена двумерным или трехмерным тканьем.

11. Способ по п. 1, причем волокнистая структура (1) содержит керамические нити из тугоплавкого оксида, и причем частицы первого порошка и/или частицы второго порошка являются керамическими частицами из тугоплавкого оксида.

12. Способ получения детали из композиционного материала, включающий следующие стадии:

пропитка волокнистой структуры (1) по меньшей мере первой суспензией (10), применяя способ по п. 1;

удаление по меньшей мере жидкой среды первой суспензии (10), пропитывающей волокнистую структуру (1), и

образование матричной фазы, уплотняющей волокнистую структуру (1), из по меньшей мере частиц первого порошка, чтобы получить деталь из композиционного материала.

13. Способ по п. 12, причем матричная фаза образована полностью или частично путем спекания частиц первого порошка.