Группа изобретений относится к способам изготовления герметичных изделий из композиционных материалов, таких как углерод-углеродные и углерод-карбидокремниевые композиционные материалы, которые предназначены, в частности, для изготовления из них корпусов высокотемпературных химических реакторов, используемых в химической, химико-металлургической и других отраслях промышленности.
Известен способ изготовления герметичных изделий из углерод-углеродного композиционного материала (УУКМ), включающий изготовление внутренней оболочки из углерод-углеродного композиционного материала (УУКМ) на основе низкомодульных углеродных волокон и пироуглеродной или коксопироуглеродной матрицы и ее герметизацию путем формирования на ее поверхностях пироуглеродного покрытия с подслоем на основе материала, представляющего собой графит на пироуглеродном связующем [пат. РФ №2006493, 1994].
Недостатком способа является недостаточно высокий ресурс работы изделий из УУКМ в химически агрессивных средах из-за механического и химического нарушения целостности пироуглеродного покрытия, что приводит к потере герметичности изделия и необходимости ее восстановления для повторного использования изделия.
Наиболее близким способом того же назначения к заявляемому изобретению по совокупности признаков является способ изготовления герметичных изделий, включающий изготовление внутренней оболочки из углерод-углеродного композиционного материала (УУКМ) на основе низкомодульных углеродных волокон и пироуглеродной или коксопироуглеродной матрицы и ее герметизацию путем формирования на ее поверхностях пироуглеродного покрытия с подслоем на основе материала, представляющего собой графит на пироуглеродном связующем, а затем формирование поверх нее наружной оболочки, при формировании каркаса которой в качестве армирующего наполнителя используют низкомодульные углеродные волокна, а в качестве матрицы - пироуглеродную или коксопироуглеродную матрицу, получаемую в процессе насыщения каркаса или карбонизованного углепластика пироуглеродом из газовой фазы [пат. РФ №2497750, 2013].
В соответствии с ним наружную оболочку герметичного изделия изготавливают из УУКМ с последующим формированием на ее наружной поверхности пироуглеродного покрытия с подслоем на основе материала, представляющего собой графит на пироуглеродном связующем.
Способ позволяет повысить ресурс работы герметичных изделий из УУКМ в химически агрессивных средах за счет формирования пироуглеродного покрытия (являющегося герметичным по гелию) не только со стороны его поверхностей, но и в середине по толщине материала.
Недостатком способа является недостаточно высокий ресурс работы герметичных изделий, в том числе при температурах более 450°С и воздействии со стороны внутренней поверхности химически агрессивной среды, а со стороны наружной поверхности - окислительной и/или абразивной среды.
Задачей изобретения является повышение ресурса работы герметичных изделий, в том числе при температурах более 450°С и воздействии со стороны внутренней поверхности химически агрессивной среды, а со стороны наружной поверхности -окислительной и/или абразивной среды.
Наиболее близким к заявляемому корпусу высокотемпературного химического реактора по технической сущности и достигаемому эффекту является корпус химического реактора на основе подвергнутого герметизации углерод-углеродного композиционного материала (УУКМ). Он усматривается из [пат. РФ №2497750, 2013]. Недостатком его является недостаточно высокий ресурс работы, в том числе при температурах более 450°С под воздействием со стороны внутренней поверхности химически агрессивной среды, а со стороны наружной поверхности - окислительной среды.
Задачей изобретения является разработка такой конструкции химического реактора, который бы имел высокий ресурс работы, в том числе при температурах более 450°С и воздействии со стороны внутренней поверхности химически агрессивной среды, а со стороны наружной поверхности - окислительной и/или абразивосодержащей среды.
Общей задачей изобретений является повышение ресурса работы герметичных изделий, в частности, химических реакторов, в том числе при температурах выше 450°С и воздействии со стороны внутренней поверхности химически агрессивной среды, а со стороны наружной поверхности - окислительной и/или абразивосодержащей среды.
Поставленная задача решается за счет того, что в способе изготовления герметичного изделия, включающем изготовление внутренней оболочки из углерод-углеродного композиционного материала (УУКМ) на основе низкомодульных углеродных волокон и пироуглеродной или коксопироуглеродной матрицы и ее герметизацию путем формирования на ее поверхностях пироуглеродного покрытия с подслоем на основе материала, представляющего собой графит на пироуглеродном связующем, а затем формирование поверх нее наружной оболочки, при формировании каркаса которой в качестве армирующего наполнителя используют низкомодульные углеродные волокна, а в качестве матрицы - пироуглеродную или коксопироуглеродную матрицу, получаемую в процессе насыщения каркаса или карбонизованного углепластика пироуглеродом из газовой фазы, в соответствии с заявляемым техническим решением перед формированием каркаса наружной оболочки на наружную поверхность внутренней оболочки поверх пироуглеродного покрытия наклеивают слой графитовой фольги, а насыщение каркаса или заготовки наружной оболочки из карбонизованного углепластика пироуглеродом проводят лишь частично, после чего заготовку наружной оболочки из УУКМ силицируют паро-жидкофазным методом путем пропитки конденсатом паров кремния с последующей его карбидизацией, исключая доступ паров кремния к внутренней поверхности внутренней оболочки.
То, что поверх пироуглеродного покрытия, сформированного на наружной поверхности внутренней оболочки, наклеен слой графитовой фольги, является условием исключения преобразования его в SiC при силицировании, т.к. при этом карбидизуется лишь графитовая фольга.
То, что насыщение каркаса или заготовки наружной оболочки из карбонизованного углепластика пироуглеродом проводят лишь частично, создает предпосылки для формирования в ее порах другого типа матрицы, в частности, карбидокремниевой матрицы при сравнительно большом ее содержании.
Силицирование заготовки наружной оболочки из УУКМ, имеющего открытую пористость (обеспечиваемую предыдущим признаком), позволяет сформировать в порах материала карбидокремниевую матрицу, т.е. перевести УУКМ в углерод-карбидокремниевый композиционный материал (УККМ) со сравнительно высоким содержанием и нем карбидокремниевой матрицы.
Проведение силицирования паро-жидкофазным методом путем пропитки конденсатом паров кремния (а не жидкофазным путем пропитки жидким кремнием, в частности, расплавом кремния) обеспечивает полное заполнение открытых пор материала карбидом кремния и свободным кремнием.
То, что УККМ наружной оболочки армирован низкомодульными углеродными волокнами (обеспечивается это тем, что исходный УУКМ, являющийся основой для получения УККМ, армирован низкомодульными углеродными волокнами), имеющими клтр, близкий к клтр углерод-карбидокремниевой матрицы и кремния, позволяет придать ему (УККМ) герметичность. Причем указанная герметичность не нарушается даже после окисления поверхностного слоя материала, т.к. благодаря объемному характеру заполнения открытых пор отсутствует проход окислительной среды вглубь материала. То, что внутренняя оболочка изготавливается из УУКМ на основе низкомодульных углеродных волокон (признак ограничительной части формулы изобретения), т.е. так же как и наружная оболочка из УККМ, обеспечивает близость их клтр, а значит, их термомеханическую совместимость, следствием чего является сохранение их герметичности в процессе нагрева и охлаждения.
То, что при герметизации внутренней оболочки из УУКМ формируют на ее наружной поверхности пироуглеродное покрытие с подслоем на основе материала, представляющего собой графит на пироуглеродном связующем (признак ограничительной части формулы изобретения), позволяет исключить доступ кремния в поры УУКМ внутренней оболочки и тем самым предотвратить преобразование УУКМ в УККМ на стадии силицирования УУКМ наружной оболочки. При этом расположенное между внутренней и наружной оболочкой герметичное пироуглеродное покрытие преобразуется в SiC-покрытие. Если же поверх пироуглеродного покрытия наклеен слой графитовой фольги, то она преобразуется в SiC, а пироуглеродное покрытие остается без изменения. То. что силицирование УУКМ наружной оболочки проводят, исключая доступ паров кремния к внутренней поверхности оболочки, позволяет предотвратить карбидизацию герметичного пироуглеродного покрытия, сформированного со стороны внутренней поверхности внутренней оболочки (формирование на внутренней поверхности герметичного пироуглеродного покрытия предусмотрено соответствующим признаком ограничительной части формулы изобретения), и тем самым предотвратить преобразование герметичного пироуглеродного покрытия в покрытие из SiC, имеющее более низкую стойкость в химически агрессивных средах.
В новой совокупности существенных признаков у объекта изобретения появляется новое свойство: способность придать материалу со стороны внутренней поверхности изделия высокую стойкость в химически агрессивных средах за счет выполнения его на части толщины (назовем эту часть толщины изделия внутренней оболочкой) из УУКМ с обеспечением герметичности этой части изделия, а материалу наружной поверхности придать высокую стойкость в окислительной среде за счет выполнения его на остальной части толщины изделия (назовем эту часть толщины изделия наружной оболочкой) из УККМ с обеспечением герметичности (причем объемного характера) этой части изделия с сохранением герметичности внутренней и наружной оболочки как в процессе изготовления изделия в целом, так и в процессе его эксплуатации за счет термомеханической совместимости их материалов, а также сохранения герметичности изделия после того, как прокорродирует пироуглеродное покрытие и часть УУКМ со стороны его внутренней поверхности.
Благодаря новому свойству решается поставленная задача, а именно: повышается ресурс работы герметичных изделий, в том числе при температурах более 450°С и воздействии со стороны внутренней поверхности химически агрессивной среды, а со стороны наружной поверхности - окислительной и/или абразивосодержащей среды.
Поставленная задача решается также за счет того, что в способе изготовления герметичного изделия, заключающемся в изготовлении внутренней оболочки из углерод-углеродного композиционного материала (УУКМ) на основе низкомодульных углеродных волокон и пироуглеродной или коксопироуглеродной матрицы и ее герметизации путем формирования на ее внутренней поверхности пироуглеродного покрытия с подслоем на основе материала, представляющего собой графит на пироуглеродном связующем, формировании поверх нее наружной оболочки, при формировании каркаса которой в качестве армирующего наполнителя используют низкомодульные углеродные волокна, а в качестве матрицы - пироуглеродную или коксопироуглеродную матрицу, получаемую в процессе насыщения каркаса или карбонизованного углепластика пироуглеродом из газовой фазы, в соответствии с заявляемым техническим решением перед формированием каркаса наружной оболочки на наружной поверхности внутренней оболочки наклеивают слой графитовой фольги, насыщение каркаса или заготовки наружной оболочки из карбонизованного углепластика проводят лишь частично при одновременном насыщении пироуглеродом сформированного на внутренней поверхности внутренней оболочки шликерного покрытия на основе углеродного порошка и временного безусадочного невспенивающегося связующего и формировании пироуглеродного покрытия, а после частичного уплотнения пироуглеродом каркаса наружной оболочки проводят силицирование полученной наружной оболочки из УУКМ паро-жидкофазным методом путем пропитки конденсатом паров кремния с последующей его карбидизацией, исключая доступ паров кремния к внутренней поверхности внутренней оболочки.
То, что перед формированием каркаса наружной оболочки на наружной поверхности внутренней оболочки наклеивают слой графитовой фольги, создает предпосылки для исключения доступа паров кремния в УУКМ внутренней оболочки, исключая тем самым преобразование ее в УККМ.
Проведение лишь частичного насыщения каркаса или заготовки наружной оболочки из карбонизованного углепластика позволяет при ее силицировании обеспечить преобразование УУКМ в УККМ.
То, что его (частичное насыщение пироуглеродом) проводят при одновременном насыщении пироуглеродом сформированного на внутренней поверхности внутренней оболочки шликерного покрытия на основе углеродного порошка и временного безусадочного невспенивающегося связующего и последующего формирования пироуглеродного покрытия, обеспечивает герметичность внутренней оболочки за счет образования на ее внутренней поверхности герметичного пироуглеродного покрытия с подслоем на основе материала, представляющего собой графит на пироуглеродном связующем (известно, что пироуглеродное покрытие не проницаемо даже для гелия). Кроме того, в сравнении с первым рассмотренным техническим решением уменьшается цикл и затраты на изготовление герметичного изделия, т.к. операция формирования на внутренней поверхности внутренней оболочки герметичного пироуглеродного покрытия проводится в едином технологическом процессе частичного насыщения пироуглеродом каркаса или заготовки наружной оболочки из карбонизованного углепластика. Проведение силицирования заготовки обеспечивает преобразование УУКМ в УККМ, а графитовой фольги - в SiC.
Проведение силицирования паро-жидкофазным методом путем пропитки конденсатом паров кремния с последующей его карбидизацией в совокупности с тем, что УККМ наружной оболочки изготовлен на основе низкомодульных углеродных волокон, позволяет герметизировать наружную оболочку. При этом ее герметичность носит объемный характер, благодаря чему герметичность не нарушается даже после окисления (или механического удаления) поверхностного слоя материала, а также после того, как прокорродирует пироуглеродное покрытие, часть или полностью УУКМ и даже часть УККМ.
То, что силицирование проводят, исключая доступ паров кремния к внутренней поверхности внутренней оболочки, а также то, что между внутренней и наружной оболочкой находится слой графитовой фольги, переходящий в слой из SiC, позволяет предотвратить преобразование пироуглеродного покрытия на внутренней поверхности заготовки в карбид кремния, а также предотвратить преобразование УУКМ внутренней оболочки в УККМ.
В новой совокупности существенных признаков у объекта изобретения появляется новое свойство: способность придать материалу со стороны внутренней поверхности изделия высокую стойкость в химически агрессивных средах за счет выполнения его на части толщины (назовем эту часть толщины изделия внутренней оболочкой) из УУКМ с обеспечением герметичности этой части изделия, а материалу наружной поверхности придать высокую стойкость в окислительной среде за счет выполнения его на остальной части толщины изделия (назовем эту часть толщины изделия наружной оболочкой) из УУКМ с обеспечением герметичности (причем объемного характера) этой части изделия с сохранением герметичности внутренней и наружной оболочки как в процессе изготовления изделия в целом, так и в процессе его эксплуатации за счет термомеханической совместимости их материалов, а также сохранения герметичности изделия после того, как прокорродирует пироуглеродное покрытие и часть УУКМ со стороны его внутренней поверхности.
Благодаря новому свойству решается поставленная задача, а именно: повышается ресурс работы герметичных изделий, в том числе при температурах более 450°С и воздействии со стороны внутренней поверхности химически агрессивной среды, а со стороны наружной поверхности - окислительной и/или абразивосодержащей среды.
Поставленная задача решается также за счет того, что в корпусе химического реактора, состоящего из подвергнутых герметизации внутренней и наружной оболочек, из которых внутренняя оболочка выполнена из УУКМ, и расположенного между ними герметизирующего слоя, в соответствии с заявляемым техническим решением его наружная оболочка выполнена из герметичного углерод-карбидокремниевого композиционного материала, герметизирующий слой представляет собой двухслойное покрытие из пироуглерода и карбида кремния или однослойное покрытие из карбида кремния, а изготовлен он в соответствии со способами по п. 1 или 2.
Выполнение внутренней оболочки корпуса химического реактора из УУКМ с приданием ей герметичности обеспечивает ее высокую стойкость в химически агрессивных средах, в том числе при высоких температурах, благодаря высокой химической стойкости УУКМ и пироуглеродного покрытия, а также отсутствию прохода химически агрессивной среды по ее толщине.
Выполнение наружной оболочки из УККМ с приданием материалу (а значит, и оболочке) герметичности, носящей объемный характер (который является следствием применения заявляемых способов изготовления), с одной стороны, обеспечивает ее высокую стойкость в окислительной и/или абразивной среде. С другой стороны, это, а также наличие между оболочками герметизирующего слоя, работает на исключение прохода химически агрессивной среды от внутренней поверхности реактора до его наружной поверхности. То, что герметизирующий слой представляет собой двухслойное покрытие из пироуглерода и карбида кремния или однослойное покрытие из карбида кремния, являющихся герметичными даже по гелию, обеспечивает наиболее эффективную защиту от прохода химически агрессивной среды через внутреннюю оболочку к наружной оболочке.
То, что дает признак "осуществление изготовления оболочек и расположенного между ними герметизирующего слоя в соответствии со способами по п. 1 или 2 формулы изобретения", приведено при рассмотрении заявляемых способов.
В новой совокупности существенных признаков у объекта изобретения появляется новое свойство: способность придать корпусу химического реактора высокую стойкость в химически агрессивных средах со стороны его внутренней поверхности и высокую стойкость в окислительной и/или абразивосодержащей среде - со стороны наружной поверхности, которая сохраняется в процессе его эксплуатации за счет термомеханической совместимости материалов внутренней и наружной оболочки, а также сохранения герметичности корпуса реактора после того, как прокорродирует пироуглеродное покрытие и часть УУКМ со стороны его внутренней поверхности.
Благодаря новому свойству решается поставленная задача, а именно: повышается ресурс работы химических реакторов, в том числе при температурах более 450°С и воздействии со стороны внутренней поверхности химически агрессивной среды, а со стороны наружной поверхности - окислительной и/или абразивосодержащей среды.
Один из заявляемых способов изготовления герметичного изделия включает изготовление внутренней оболочки из УУКМ на основе низкомодульных углеродных волокон и пироуглеродной или коксопироуглеродной матрицы, ее герметизацию путем формирования на ее поверхности пироуглеродного покрытия с подслоем на основе материала, представляющего собой графит на пироуглеродном связующем; наклеивание на ее наружную поверхность слоя графитовой фольги (эта операция, в принципе, может и не проводиться), формирование (поверх внутренней оболочки) каркаса или заготовки из карбонизованного углепластика, при формировании которых используют низкомодульные углеродные волокна; частичное насыщение каркаса или заготовки наружной оболочки из карбонизованного углепластика пироуглеродом; силицирование заготовки наружной оболочки из УУКМ паро-жидкофазным методом путем пропитки конденсатом паров кремния с последующей карбидизацией. исключая доступ паров кремния к внутренней поверхности внутренней оболочки.
Другой из заявляемых способов изготовления герметичного изделия включает изготовление внутренней оболочки из УУКМ на основе низкомодульных углеродных волокон и пироуглеродной или коксопироуглеродной матрицы; наклеивание слоя графитовой фольги на наружной поверхности внутренней оболочки; формирование на наружной поверхности внутренней оболочки каркаса наружной оболочки (или заготовки из карбонизованного углепластика) с использованием в качестве армирующего наполнителя низкомодульных углеродных волокон, формирование на внутренней поверхности внутренней оболочки шликерного покрытия на основе углеродного порошка и временного безусадочного невспенивающегося связующего; частичное насыщение каркаса или заготовки наружной оболочки из карбонизованного углепластика пироуглеродом, проводимое одновременно с насыщением пироуглеродом сформированного на внутренней поверхности внутренней оболочки шликерного покрытия приведенного выше состава; силицирование полученной наружной оболочки из УУКМ паро-жидкофазным методом путем пропитки конденсатом паров кремния с последующей его карбидизацией, исключая доступ паров кремния к внутренней поверхности оболочки.
Корпус химического реактора состоит из внутренней оболочки, выполненной из подвергнутого герметизации УУКМ, наружной оболочки - из герметичного УККМ и расположенного между ними герметизирующего слоя, а изготовлен он в соответствии со способами по п. 1 или 2.
Ниже приведены конкретные примеры изготовления герметичных изделий заявляемыми способами.
Пример изготовления по 1-му заявляемому способу
Изготовили модельный образец корпуса герметичного изделия в форме стакана ∅вн × ∅н × h=160 × 180 × 400 мм.
Вначале одним из известных способов (смотри, например, пат. РФ №2235681. 2004 и пат. РФ №2229437, 2004) изготовили внутреннюю оболочку ∅вц × ∅н=160 × 170 мм из УУКМ, армированного низкомодульными углеродными волокнами. При этом для получения УУКМ с максимально возможной плотностью за кратчайшее время уплотнения пироуглеродом целесообразно использовать термоградиентный метод. Затем произвели ее герметизацию, для чего на ее внутренней и наружной поверхности сформировали шликерное покрытие на основе графитового порошка с размером частиц до 40-63 мкм. В едином технологическом процессе провязали шликерное покрытие пироуглеродом и сформировали пироуглеродное покрытие, используя вакуумный изотермический метод насыщения пироуглеродом из газовой фазы (подробнее об этом в пат. РФ №2006493, 1994 и пат. РФ №2186726, 2002).
После этого поверх герметичной внутренней оболочки наклеили слой графитовой фольги (в другом варианте выполнения способа графитовую фольгу не наклеивали). Затем поверх внутренней оболочки сформировали каркас (или заготовку из карбонизованного углепластика) наружной оболочки.
После этого произвели частичное насыщение каркаса (или заготовки из карбонизованного углепластика) пироуглеродом вакуумным изотермическим методом до плотности ~ 1,38-1,45 г/см3 (в предпочтительном варианте в порах этого материала сформировали кокс или вырастили углеродные нанотрубки с целью уменьшения содержания свободного кремния в УККМ).
Затем провели силицирование полученной наружной оболочки из УУКМ паро-жидкофазным методом путем пропитки конденсатом паров кремния с последующей его карбидизацией путем выдержки при 1750-1850°С в течение 1-2 часов, исключая доступ паров кремния к внутренней поверхности внутренней оболочки. В результате УУКМ наружной оболочки преобразовался в УККМ, а расположенное между оболочками пироуглеродное покрытие преобразовалось в SiC-покрытие (в случае наличия в способе операции наклеивания поверх пироуглеродного покрытия слоя графитовой фольги последняя карбидизовалась, образуя SiC-слой, а пироуглеродное покрытие осталось неизменным, что было установлено при проведении специальных исследований на контрольных образцах).
Пример изготовления по 2-му заявляемому способу
Изготовление такого же, как в предыдущем примере, модельного образца произвели аналогичным образом.
Отличие состояло лишь в том, что изготовив внутреннюю оболочку из УУКМ, ее сразу же не герметизовали. Герметизацию ее за счет формирования на ее внутренней поверхности пироуглеродного покрытия с подслоем из материала ГСП (графит на пироуглеродной связке) произвели в едином технологическом процессе с частичным насыщением пироуглеродом каркаса (или заготовки из карбонизованного углепластика) наружной оболочки.
Еще одно отличие состояло в том, что для получения расположенного между внутренней и наружной оболочкой герметизирующего слоя на наружной поверхности внутренней оболочки в обязательном порядке наклеивали слой графитовой фольги, т.к. не было возможности сформировать пироуглеродное покрытие.
По сравнению с 1-м заявляемым способом на изготовление герметичного изделия потребовалось меньше времени и затрат.
Заявляемыми способами на существующем в АО «УНИИКМ» оборудовании можно изготовить герметичные изделия (в том числе корпуса химических реакторов) габаритом до 2000 мм в диаметре и высотой до 3500 мм. Следует также отметить, что имеются - и опробованы на практике - технические решения, обеспечивающие возможность изготовления герметичных изделий с выступающими частями, такими как патрубки (пат. РФ №2515878, 2014. «Корпусная или внутренняя деталь аппарата, снабженная выступающими частями, способ ее изготовления и устройство для формирования и насыщения пироуглеродом каркасов закладных элементов, образующих выступающие части»).
В процессе эксплуатации корпус химического реактора под воздействием агрессивных сред испытывает следующие изменения.
В начальный период расположенная в нем химически агрессивная среда воздействует только на имеющееся со стороны его внутренней поверхности пироуглеродное покрытие, т.к. оно является непроницаемым для гелия. Экспериментально установлено, что деталь из УУКМ со сформированным на ней пироуглеродным покрытием герметична по керосину под избыточным давлением до 114 атм., а по воздуху - до 60 атм. Благодаря беспористой структуре пироуглеродного покрытия оно обладает высокой химической стойкостью. Так, например, изделие, покрытое пироуглеродом, оставалось непроницаемым при избыточном давлении до 7 атм после 30-суточного кипячения в 70%-ной H2SO4 [Крылов В.Н., Вильк Ю.Н. Углеграфитовые материалы и их применение в химической промышленности / М-л, Химия, с. 145, 1965].
После исчезновения со стороны внутренней поверхности корпуса реактора пироуглеродного покрытия химической коррозии подвергается УУКМ его внутренней оболочки. Поскольку УУКМ имеет ту или иную величину открытой пористости, то химической коррозии подвергается материал не только с поверхности, но в какой-то степени и в его объеме, а также расположенное поверх него пироуглеродное покрытие (в 1-м способе изготовления) или слой SiC (во 2-м способе изготовления). При этом благодаря сохранению герметичности корпуса реактора отсутствует проток химически агрессивной среды изнутри наружу, следствием чего является существенное снижение объемной скорости коррозии в сравнении с наличием сквозного протока. Примечание: в этот период герметичность материала внутренней оболочки обеспечивается наличием между внутренней и наружной оболочкой герметичного SiC-покрытия (образовавшегося при карбидизации пироуглеродного покрытия) и/или наличием пироуглеродного покрытия и слоя SiC (слой SiC образуется при карбидизации слоя графитовой фольги), а также герметичностью УККМ наружной оболочки. Экспериментально установлено, что в этих условиях УУКМ - а тем более сформированное поверх него пироуглеродное покрытие - имеют достаточно низкую скорость коррозии. После того, как скорродирует УУКМ и сформированное поверх него пироуглеродное покрытие и/или пироуглеродное покрытие и слой SiC. или слой SiC (формирующийся между оболочками при изготовлении корпуса реактора в соответствии со способом по п. 2 формулы изобретения), начнет корродировать УККМ наружной оболочки. УККМ имеет объемный характер герметичности, благодаря чему коррозия протекает в поверхностном слое материала, не затрагивая его объем. Это способствует снижению скорости коррозии УККМ.
Снижению скорости коррозии УККМ способствует также минимизация содержания в нем свободного кремния, имеющего меньшую химическую стойкость, чем SiC. В случае наличия со стороны наружной поверхности корпуса химического реактора окислительной среды окисления не будет происходить вплоть до температуры ~ 700°С, а в случае наличия абразивосодержащей среды будет происходить эрозионный унос, величина которого будет зависеть от содержания в УККМ SiC и величины твердости частиц абразивосодержащей среды.
название | год | авторы | номер документа |
---|---|---|---|
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ГЕРМЕТИЧНЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ | 2016 |
|
RU2624707C1 |
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА | 2014 |
|
RU2555714C1 |
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА | 2014 |
|
RU2555715C1 |
ТОРЦОВОЕ УПЛОТНЕНИЕ ИЗ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ УГЛЕРОД-КАРБИДОКРЕМНИЕВОЙ МАТРИЦЫ, АРМИРОВАННОЙ УГЛЕРОДНЫМИ ВОЛОКНАМИ, И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ | 2017 |
|
RU2646063C1 |
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ГЕРМЕТИЧНЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ УГЛЕРОД-КАРБИДОКРЕМНИЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ | 2012 |
|
RU2543242C2 |
ПОЛОЕ ЗАМКНУТОЙ ФОРМЫ ГЕРМЕТИЧНОЕ ИЗДЕЛИЕ ИНТЕГРАЛЬНОЙ КОНСТРУКЦИИ, СОЕДИНИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ ИНТЕГРАЛЬНОЙ КОНСТРУКЦИИ, СПОСОБЫ ИХ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ФУТЕРОВКА РЕАКТОРА ВАКУУМНОЙ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ УСТАНОВКИ, СОДЕРЖАЩАЯ УКАЗАННОЕ ГЕРМЕТИЧНОЕ ИЗДЕЛИЕ | 2018 |
|
RU2711199C1 |
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ГЕРМЕТИЧНЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ УГЛЕРОД-КАРБИДОКРЕМНИЕВОГО МАТЕРИАЛА | 2011 |
|
RU2480433C2 |
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОНКОСТЕННЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА С ГРАДИЕНТНЫМИ СВОЙСТВАМИ ПО ИХ ТОЛЩИНЕ | 2015 |
|
RU2579161C1 |
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ КЕРАМОМАТРИЧНОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА | 2011 |
|
RU2486163C2 |
СОЕДИНИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ПОЛОГО ГЕРМЕТИЧНОГО ИЗДЕЛИЯ ИНТЕГРАЛЬНОЙ КОНСТРУКЦИИ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ | 2018 |
|
RU2702564C1 |
Группа изобретений относится к способам изготовления герметичных изделий из композиционных углерод-карбидокремниевых материалов, которые предназначены для изготовления из них корпусов высокотемпературных химических реакторов, используемых в химической, химико-металлургической и других отраслях промышленности. Способ изготовления герметичного изделия включает изготовление внутренней оболочки из углерод-углеродного композиционного материала (УУКМ) на основе низкомодульных углеродных волокон и пироуглеродной или коксопироуглеродной матрицы и ее герметизацию путем формирования на ее поверхностях пироуглеродного покрытия с подслоем на основе материала, представляющего собой графит на пироуглеродном связующем, а затем формирование поверх нее наружной оболочки, при формировании каркаса которой в качестве армирующего наполнителя используют низкомодульные углеродные волокна, а в качестве матрицы - пироуглеродную или коксопироуглеродную матрицу, получаемую в процессе насыщения каркаса или карбонизованного углепластика пироуглеродом из газовой фазы. Перед формированием каркаса наружной оболочки на наружную поверхность внутренней оболочки поверх пироуглеродного покрытия наклеивают слой графитовой фольги. Насыщение каркаса или заготовки наружной оболочки из карбонизованного углепластика пироуглеродом проводят лишь частично, после чего заготовку наружной оболочки из УУКМ силицируют паро-жидкофазным методом путем пропитки конденсатом паров кремния с последующей его карбидизацией, исключая доступ паров кремния к внутренней поверхности внутренней оболочки. Другой вариант выполнения способа содержит те же операции, при этом пироуглеродное покрытие с подслоем на основе материала, представляющего собой графит на пироуглеродном связующем, формируют на внутренней поверхности внутренней оболочки. Корпус химического реактора состоит из подвергнутых герметизации внутренней и наружной оболочек, из которых внутренняя выполнена из УУКМ, и расположенного между ними герметизирующего слоя. При этом наружная оболочка выполнена из герметичного углеродкарбидокремниевого композиционного материала, герметизирующий слой представляет собой двухслойное покрытие из пироуглерода и карбида кремния или однослойное покрытие из карбида кремния. Технический результат изобретения – повышение стойкости реактора в химически агрессивных средах и в окислительной среде. 3 н. и 1 з.п. ф-лы, 2 пр.
1. Способ изготовления герметичного изделия, включающий изготовление внутренней оболочки из углерод-углеродного композиционного материала (УУКМ) на основе низкомодульных углеродных волокон и пироуглеродной или коксопироуглеродной матрицы и ее герметизацию путем формирования на ее поверхностях пироуглеродного покрытия с подслоем на основе материала, представляющего собой графит на пироуглеродном связующем, а затем формирование поверх нее наружной оболочки, при формировании каркаса которой в качестве армирующего наполнителя используют низкомодульные углеродные волокна, а в качестве матрицы - пироуглеродную или коксопироуглеродную матрицу, получаемую в процессе насыщения каркаса или карбонизованного углепластика пироуглеродом из газовой фазы, отличающийся тем, что перед формированием каркаса наружной оболочки на наружную поверхность внутренней оболочки поверх пироуглеродного покрытия наклеивают слой графитовой фольги, а насыщение каркаса или заготовки наружной оболочки из карбонизованного углепластика пироуглеродом проводят лишь частично, после чего заготовку наружной оболочки из УУКМ силицируют паро-жидкофазным методом путем пропитки конденсатом паров кремния с последующей его карбидизацией, исключая доступ паров кремния к внутренней поверхности внутренней оболочки.
2. Способ изготовления герметичного изделия, заключающийся в изготовлении внутренней оболочки из углерод-углеродного композиционного материала (УУКМ) на основе низкомодульных углеродных волокон и пироуглеродной или коксопироуглеродной матрицы и ее герметизации путем формирования на ее внутренней поверхности пироуглеродного покрытия с подслоем на основе материала, представляющего собой графит на пироуглеродном связующем, формировании поверх нее наружной оболочки, при формировании каркаса которой в качестве армирующего наполнителя используют низкомодульные углеродные волокна, а в качестве матрицы - пироуглеродную или коксопироуглеродную матрицу, получаемую в процессе насыщения каркаса или карбонизованного углепластика пироуглеродом из газовой фазы, отличающийся тем, что перед формированием каркаса наружной оболочки на наружной поверхности внутренней оболочки наклеивают слой графитовой фольги, насыщение каркаса или заготовки наружной оболочки из карбонизованного углепластика проводят лишь частично при одновременном насыщении пироуглеродом сформированного на внутренней поверхности внутренней оболочки шликерного покрытия на основе углеродного порошка и временного безусадочного невспенивающегося связующего и формировании пироуглеродного покрытия, а после частичного уплотнения пироуглеродом каркаса наружной оболочки проводят силицирование полученной наружной оболочки из УУКМ паро-жидкофазным методом путем пропитки конденсатом паров кремния с последующей его карбидизацией, исключая доступ паров кремния к внутренней поверхности внутренней оболочки.
3. Способ изготовления по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что после частичного насыщения пироуглеродом каркаса или заготовки из карбонизованного углепластика наружной оболочки проводят формирование в порах УУКМ кокса и/или выращивание в них углеродных нанотрубок.
4. Корпус химического реактора, состоящий из подвергнутых герметизации внутренней и наружной оболочек, из которых внутренняя выполнена из УУКМ, и расположенного между ними герметизирующего слоя, отличающийся тем, что его наружная оболочка выполнена из герметичного углерод-карбидокремниевого композиционного материала, герметизирующий слой представляет собой двухслойное покрытие из пироуглерода и карбида кремния или однослойное покрытие из карбида кремния, а изготовлен он в соответствии со способами по п. 1 или 2.
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ГЕРМЕТИЧНЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ УГЛЕРОД-УГЛЕРОДНОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА | 2012 |
|
RU2497750C1 |
ПОЛОЕ ЗАМКНУТОЙ ФОРМЫ ГЕРМЕТИЧНОЕ ИЗДЕЛИЕ ИНТЕГРАЛЬНОЙ КОНСТРУКЦИИ, СОЕДИНИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ ИНТЕГРАЛЬНОЙ КОНСТРУКЦИИ, СПОСОБЫ ИХ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ФУТЕРОВКА РЕАКТОРА ВАКУУМНОЙ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ УСТАНОВКИ, СОДЕРЖАЩАЯ УКАЗАННОЕ ГЕРМЕТИЧНОЕ ИЗДЕЛИЕ | 2018 |
|
RU2711199C1 |
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОНКОСТЕННЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ СИЛИЦИРОВАННОГО УГЛЕРОДНОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА | 2001 |
|
RU2194682C2 |
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОНКОСТЕННЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА С ПЕРЕМЕННЫМ СОДЕРЖАНИЕМ КАРБИДА КРЕМНИЯ | 2014 |
|
RU2575272C1 |
US 6221475 A, 24.04.2001 | |||
FR 2850649 A1, 06.08.2004 | |||
Топчак-трактор для канатной вспашки | 1923 |
|
SU2002A1 |
Авторы
Даты
2024-07-03—Публикация
2023-12-19—Подача