Способ получения углерод-углеродного композиционного материала на пековых матрицах Российский патент 2021 года по МПК C04B35/532 C04B35/83 C04B35/64 C01B32/05 

Область техники

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к получению углеродных-углеродных композиционных материалов (УУКМ), которые могут быть использованы, например, для комплектации тяжело нагруженных узлов трения в условиях высокого энергетического нагружения и окислительной среды.

Известны различные способы получения углерод-углеродных композиционных материалов. Так, например, известен способ получения фрикционного композиционного углерод-углеродного материала, армированного углеродным волокном, посредством пропитки пеком волокнистого каркаса с дальнейшей карбонизацией заготовки под давлением (патент RU 2510387 C1, Россия, опубл. 2014 г.). Недостатком данного способа является наличие дополнительной стадии графитации углеродного волокна, которая является дорогостоящей и трудоемкой и связана с экологической опасностью для персонала и окружающей среды.

Наиболее близким прототипом заявляемому является способ изготовления УУКМ, включающий в себя изготовление заготовки на основе карбонизованных волокон и пековых связующих, ее карбонизацию в инертной среде и уплотнение исходной композиции углеродом из паровой фазы до требуемой плотности материала (патент US 20170190629 A1, США, опубл. 2017 г.). Однако указанный способ многократно увеличивает цикл производства, который определяет высокую себестоимость изделий.

Прочностные характеристики фрикционного волокнистого композиционного материала в значительной степени зависят от микродефектов его структуры.

В случае использования карбонизованного волокна в результате финишной высокотемпературной обработки УУКМ происходит усадка волокна вследствие изменения его структуры. Одновременно с этим при температурах выше 1750°С, пройдя усадочные явления, наблюдается расширение матричного кокса, обусловленное определенным термическим воздействием [«Углерод, межслоевые соединения и композиты на его основе», Фиалков А.С.]. Это способствует образованию значительных микродефектов в структуре композиционного материала во всем его объеме, которые, в свою очередь, приводят к снижению прочностных характеристик готового изделия и отрицательно сказываются на фрикционно-износных характеристиках УУКМ.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является способ получения композиционного материала на основе карбонизованного волокна и пековой матрицы с повышенными физико-механическими характеристиками за счет создания специальных условий в технологических режимах процесса его изготовления, предотвращающих структурные изменения армирующего компонента на финишных стадиях изготовления, которые могут приводить к ухудшению эксплуатационных свойств.

Технический результат в предлагаемом изобретении достигается за счет того, что:

1. Обжиг исходных заготовок, сформованных на основе карбонизованных углеродных волокон с температурой обработки не менее 1400°С и среднетемпературного пека с температурой размягчения 65-95°С проводится при режимах нагрева в интервале температур 400-900°С не более 20°С/час, что способствует равномерной усадке первичной матрицы на основе среднетемпературного пека с содержанием α₁-фракции не более 12%. Повышение скорости подъема температуры в данном интервале может приводить к значительным локальным напряжениям в объеме материала и, как следствие, высокой степени дефектности микроструктуры изделия (таблица).

2. При содержании в заготовках коксовой матрицы на основе среднетемпературного пека не менее 40% промежуточная высокотемпературная обработка осуществляется при температуре 1750-2200°С при режиме нагрева заготовок в интервале температур 800-2200°С не более 100°С/час, в течение которой осуществляется направленная усадка армирующих компонентов. Данная стадия обеспечивает термостабильность композита и гарантирует отсутствие остаточных деформаций волокна в результате повторного нагрева при данной температуре. При проведении процесса при скорости подъема температуры в указанном интервале более 100°С/час расширение коксовой матрицы, обусловленное термическим воздействием [«Углерод, межслоевые соединения и композиты на его основе», Фиалков А.С.], будет происходить резко и интенсивно, что приведет к высокой степени дефектности материала из-за создаваемых напряжений в объеме изделия (таблица).

3. Дальнейшее жидкофазное уплотнение заготовок с пористостью не менее 25% пеком с содержанием α₁-фракции не более 40% осуществляется в процессах карбонизации под давлением при максимальном давлении не менее 20 МПа до достижения необходимой пористости не более 10%, что способствует устранению образовавшихся вследствие усадки армирующих компонентов и структурных изменений коксовой матрицы дефектов материала. Достижение пористости материала более 10% отрицательно сказывается на прочностных характеристиках изделия (таблица).

4. Финишная термическая обработка материала проводится при температуре не менее чем на 50°С меньше температуры промежуточной высокотемпературной обработки при режиме нагрева заготовок в интервале температур 800-1700°С не более 100°С/час, а в интервале 1700-2150°С - не более 50°С/час, чтобы обеспечить равномерные усадку и расширение коксовой матрицы в данных температурных интервалах. Повышение скорости нагрева в указанных температурных интервалах приведет к значительным микродефектам структуры готового изделия и снижению прочностных характеристик УУКМ. При проведение данной операции при температурах выше 2150°С будут наблюдаться структурные изменения армирующих компонентов, которые также ведут к снижению прочностных характеристик материала (таблица).

Таблица. Сравнительные характеристики различных вариантов фрикционных углерод-углеродных изделий

Варианты Среднее значение прочности на изгиб, МПа Среднее значение прочности на сжатие, МПА Среднее значение межслоевого сдвига, МПа 1. УУКМ при промежуточной высокотемпературной обработки при температуре 1750-2200°С (по предложенному способу) 185,36 223,31 30-33 2. УУКМ с содержанием коксовой матрицы на основе среднетемпературного пека менее 40% 161,19 203,07 20-26 3. УУКМ при обжиге со скоростью подъема температуры в интервале 400-900°С более 20°С/час 173,06 144,58 21-24 4. УУКМ при промежуточной высокотемпературной обработки со скоростью подъема температуры в интервале 800-2200°С более 100°С/час 142,47 132,82 14-17 5. УУКМ с содержанием пористости более 10% 142,43 155,17 16-18 6. УУКМ при финишной термической обработки со скоростями подъема температуры в интервалах 800-1700°С и 1700-2150°С более 100°С/час и 50°С/час соответственно 108,71 112,93 7-10 7. УУКМ с промежуточной высокотемпературной обработкой при температуре < 1750°С 130,25 151,10 10-15 8. УКМ с промежуточной высокотемпературной обработкой при температуре > 2200°С 182,52 174,24 18-22 9. УУКМ без промежуточной высокотемпературной обработки 115,68 132,72 10-15 10. УУКМ при финишной высокотемпературной
обработке > 2150°С 135,98 147,50 15-18

Изобретение относится к области машиностроения и получению углеродных-углеродных композиционных материалов (УУКМ), которые могут быть использованы для комплектации тяжело нагруженных узлов трения в условиях высокого энергетического нагружения и окислительной среды. Способ получения углерод-углеродного композиционного материала включает обжиг исходных сформованных заготовок на основе углеродных волокон и пековых связующих, последующую промежуточную высокотемпературную обработку, жидкофазное уплотнение полученных пористых заготовок пеком, карбонизацию под давлением и финишную термообработку. Обжиг исходных заготовок проводят при режиме нагрева в интервале температур 400-900°С не более 20°С/ч. Промежуточную высокотемпературную обработку осуществляют при 1750-2200°С и режиме нагрева заготовок в интервале 800-2200°С не более 100°С/ч и содержании в заготовках коксовой матрицы на основе среднетемпературного пека не менее 40%. Изделия уплотняют пеком с содержанием α₁-фракции не более 40% до достижения пористости не более 10%. Финишную термообработку проводят при температуре не менее чем на 50°С меньше температуры промежуточной высокотемпературной обработки при режиме нагрева заготовок в интервале 800-1700°С не более 100°С/ч, а в интервале 1700-2150°С - не более 50°С/ч. Изобретение позволяет повысить физико-механические характеристики УУКМ, предотвратить структурные изменения армирующего компонента на финишных стадиях изготовления, приводящие к снижению прочностных свойств материала. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Способ получения углерод-углеродного композиционного материала путем обжига исходных сформованных заготовок на основе углеродных волокон и пековых связующих, последующей промежуточной высокотемпературной обработки, жидкофазного уплотнения полученных пористых заготовок пеком, последующей карбонизации под давлением и финишной термообработки, отличающийся тем, что обжиг исходных заготовок проводят при режиме нагрева в интервале температур 400-900°С не более 20°С/ч, промежуточную высокотемпературную обработку осуществляют при температуре 1750-2200°С при режиме нагрева заготовок в интервале температур 800-2200°С не более 100°С/ч и при содержании в заготовках коксовой матрицы на основе среднетемпературного пека не менее 40%, после чего изделия подвергают уплотнению пеком с содержанием α₁-фракции не более 40% до достижения пористости не более 10%, при этом финишную термообработку заготовок проводят при температуре не менее чем на 50°С меньше температуры промежуточной высокотемпературной обработки при режиме нагрева заготовок в интервале температур 800-1700°С не более 100°С/ч, а в интервале 1700-2150°С - не более 50°С/ч.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что на стадии формирования исходных заготовок используют пековые связующие с содержанием α₁-фракции не более 12% с температурой размягчения от 65°С до 95°С.