Изобретение относится к устройствам для изготовления изделий из углерод-углеродных композиционных материалов (УУКМ), предназначенных для использования в качестве тепловых экранов, в частности в устройствах по выращиванию монокристалов кремния по методу Чохральского, а также для использования в качестве углеродной основы для силицирования при изготовлении изделий из углерод-карбидокремниевых композиционных материалов (УККМ), таких как авиационные тормоза.
Известно устройство для насыщения пироуглеродом пористых заготовок, содержащее футерованный теплоизоляционным материалом реактор, снабженный системами подачи углеродсодержащего газа и вакуумирования, размещенную в нем оснастку для монтажа на ней насыщаемых пироуглеродом пористых заготовок и нагреватели, расположенные вблизи футеровки. Устройство усматривается, в частности [из статьи авторов: А.К. Проценко, С.А. Колесников «Разработка углерод-углеродных технологий и перспективы их развития/ Научно-исследовательскому институту конструкционных материалов на основе графита-55 лет» // Сборник статей, М. 2015 г, стр. 46, 47].
Недостатком устройства является то, что в нем насыщение пористых заготовок осуществляется вакуумным изотермическим методом, а это - длительный процесс.
Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому эффекту является устройство для насыщения пироуглеродом пористых заготовок, содержащее реактор, снабженный верхним и нижним токоподводами к оправкам-нагревателям. Устройство усматривается из [статьи авторов: Гурин В.А. и др. «Исследование газофазного уплотнения пироуглеродом пористых сред методом радиально движущейся зоны пиролиза»/ Вопросы атомной науки и техники// ННЦ ХФТИ-Харьков, 1999 г. стр. 32-45].
В соответствии с указанным источником устройство содержит одну оправку-нагреватель и токоподводы к ней или несколько оправок-нагревателей и токоподводы к ним (в этом случае оправки-нагреватели размещены по окружности с зазором между ними, а также с зазором по отношению к внутренней поверхности реактора; при этом оправки-нагреватели имеют цилиндрическую или коническую форму, а также форму призмы или стержня).
Указанное устройство обеспечивает возможность насыщения пористых заготовок термоградиентным методом, следствием чего является существенное снижение цикла изготовления изделий.
Недостатком устройства является то, что оно не предусматривает возможность насыщения в нем пироуглеродом пористых заготовок в форме колец. Кольца приходится изготавливать мехобработкой пластин. Остающаяся при этом обрезь УУКМ не всегда может использоваться по другому назначению. Так, при использовании материала в качестве углеродсодержащей основы для силицирования материал получают той плотности, которая необходима для проведения его силицирования. Ситуация усугубляется, если насыщению пироуглеродом подвергается пористая заготовка (или волокнистый каркас) с градиентной по толщине структурой, в частности, разноплотная по толщине. В таком случае обрезь УУКМ вообще может оказаться не пригодной для какого-либо использования.
Все это приводит к увеличению затрат на изготовление изделий. К тому же увеличивается цикл изготовления изделий из-за необходимости изготовления заготовки в форме пластины и вырезки из нее кольца.
Задачей изобретения является разработка устройства, обеспечивающего возможность снижения затрат и цикла изготовления изделий в форме колец из УУКМ и получаемых на их основе изделий из УККМ.
Поставленная задача решается за счет того, что устройство для насыщения пироуглеродом термоградиентным методом пористых заготовок в форме кольца, содержащее реактор, снабженный верхним и нижним токоподводами к оправкам-нагревателям, в соответствии с заявляемым техническим решением оно содержит несколько установленных по высоте реактора между токоподводами оправок-нагревателей, выполненных в форме кольца с возможностью размещения на них пористых заготовок, а также несколько токопроводящих втулок, выполненных с возможностью передачи тока с одной оправки-нагревателя на другую, и несколько расположенных диаметрально им в горизонтальной плоскости втулок-электроизоляторов.
То, что устройство для насыщения пироуглеродом пористых заготовок в форме колец содержит несколько установленных по высоте реактора между токоподводами оправок-нагревателей, выполненных в форме кольца с возможностью размещения на них пористых заготовок (в том числе каркасов), создает предпосылки для насыщения их пироуглеродом термоградиентным методом; причем насыщения нескольких заготовок соответствующей формы в садке.
То, что рассматриваемое устройство наряду с верхним и нижним токоподводами содержит несколько токопроводящих втулок, выполненных с возможностью передачи тока с одной оправки-нагревателя на другую, и расположенных диаметрально им в горизонтальной плоскости втулок-электроизоляторов, обеспечивает возможность протекания тока по полуокружностям таким образом, что, пройдя по одной из оправок-нагревателей в одном направлении, он через токопроводящую втулку перетекает на соседнюю оправку-нагреватель и проходит по ней в обратном направлении, то есть ток проходит по оправкам-нагревателям зигзагообразно по всей высоте реактора. Тем самым обеспечивается реализация предпосылки, создаваемой первым признаком.
То, что устройство предназначено для насыщения пористых заготовок пироуглеродом термоградиентным методом (признак ограничительной части формулы изобретения), обеспечивает возможность придания УУКМ как равномерных, так и градиентных по его толщине свойств за счет градиентных свойств по толщине преформы (каркаса или заготовки из карбонизованного углепластика), а также за счет варьирования скорости движения зоны пиролиза по толщине преформы.
В новой совокупности существенных признаков у объекта изобретения возникает новое свойство: способность обеспечить насыщение пироуглеродом термоградиентным методом в одну садку нескольких пористых заготовок (преформ), выполненных в форме кольца, и получить при этом УУКМ как с однородными, так и градиентными по его толщине свойствами в зависимости от структуры преформы и технологических параметров насыщения пироуглеродом термоградиентным методом, а, используя УУКМ в качестве углеродной основы для силицирования, обеспечить получение УУКМ как с однородными, так и с градиентными по толщине свойствами.
Благодаря новому свойству решается поставленная задача, а именно: разработано устройство, обеспечивающее возможность снижения затрат и цикла изготовления изделий в форме колец из УУКМ и получаемых на их основе изделий из УККМ.
Заявляемое устройство поясняется чертежом.
Устройство для насыщения пироуглеродом термоградиентным методом пористых заготовок (в том числе каркасов) в форме колец содержит реактор (на "чертеже не показан), несколько установленных по высоте реактора между токоподводами 1 оправок-нагревателей 2. Оправки-нагреватели 2 выполнены в форме кольца с возможностью размещения на них пористых заготовок 3. Кроме того устройство содержит несколько токопроводящих втулок 4, выполненных с возможностью передачи тока с одной оправки-нагревателя 2 на другую, и несколько втулок-электроизоляторов 5, расположенных в горизонтальной плоскости диаметрально токопроводящим втулкам 4.
Устройство работает следующим образом.
При подаче напряжения на токоподводы 1 реактора начинает протекать ток по оправкам-нагревателям 2. Если принять, что он протекает сверху вниз, то это происходит следующим образом. Электрический ток с верхнего токоподвода 1 передается через токопроводящую втулку 4 на верхнюю оправку-нагреватель 2. Благодаря диаметрально противоположному размещению токопроводящей втулки 4 и втулки-электроизолятора 5 ток проходит по полуокружностям верхней оправки-нагревателя 2 (выполненной в форме кольца), а, пройдя по ней в одном направлении (например, слева-направо), ток через расположенную под ней (под верхней оправкой-нагревателем 2) токопроводящую втулку 4 перетекает на соседнюю нижерасположенную оправку-нагреватель и проходит по ней в обратном направлении (то есть справа-налево). И далее таким же образом ток доходит до нижней оправки-нагревателя 2 и через токоподводящую втулку 4 переходит на нижний токоподвод 1.
При прохождении тока выделяется тепло, и оправки-нагреватели 2 нагреваются до требуемой температуры в зависимости от подаваемой на них мощности. От оправок-нагревателей 2 нагреваются за счет теплопроводности материала размещенные на них пористые заготовки 3. Одновременно с нагревом в реактор через соответствующие патрубки (на чертеже не показаны) осуществляется подача метана и отвод пиролизного газа.
Охлаждение пористых заготовок холодным метаном и отвод тепла на стенки реактора, а также низкая теплопроводность материала заготовки вызывают образование градиента температур по их толщине.
Реально проведенный процесс насыщения пироуглеродом пористых заготовок ∅Н 500 × ∅вн 400 × h 20 мм в рассматриваемом устройстве подтвердил его работоспособность и целесообразность использования для указанной цели.
Изобретение относится к устройствам для изготовления изделий из углерод-углеродных композиционных материалов (УУКМ), предназначенных для использования в качестве тепловых экранов, в частности в устройствах по выращиванию монокристалов кремния по методу Чохральского, а также для использования в качестве углеродной основы для силицирования при изготовлении изделий из углерод-карбидокремниевых композиционных материалов (УККМ), таких как авиационные тормоза. Устройство для насыщения пироуглеродом термоградиентным методом пористых заготовок в форме кольца содержит реактор, снабженный верхним и нижним токоподводами к нескольким оправкам-нагревателям, установленным по высоте реактора между токоподводами. При этом оправки-нагреватели выполнены в форме кольца с возможностью размещения на них пористых заготовок. Устройство также содержит несколько токопроводящих втулок, выполненных с возможностью передачи тока с одной оправки-нагревателя на другую, и несколько расположенных диаметрально им в горизонтальной плоскости втулок-электроизоляторов. Техническим результатом является снижение цикла изготовления изделий в форме колец из УУКМ и получаемых на их основе изделий УККМ. 1 ил.
Устройство для насыщения пироуглеродом термоградиентным методом пористых заготовок в форме кольца, содержащее реактор, снабженный верхним и нижним токоподводами к оправкам-нагревателям, отличающееся тем, что оно содержит несколько установленных по высоте реактора между токоподводами оправок-нагревателей, выполненных в форме кольца с возможностью размещения на них пористых заготовок, а также несколько токопроводящих втулок, выполненных с возможностью передачи тока с одной оправки-нагревателя на другую, и несколько расположенных диаметрально им в горизонтальной плоскости втулок-электроизоляторов.
