Способ защиты углеродных волокнистых материалов от окисления Советский патент 1992 года по МПК C04B35/52 

Способ защиты углеродных материалов от окисления относится к созданию защитных покрытий на углеродных волокнистых материалах, которые применяются в качестве тепловых экранов, теплоизоляции в печах и нагревательных аппаратах и могут подвергаться химической или термической коррозии в окислительной атмосфере.

.Известен способ защиты графита путем нанесения карбидов жаростойких металлов из газовой смеси, включающей водород, хлористый водород, а также хлориды титана, кремния, циркония или ниобия 1.

Однако этот метод дорог и не позволяет равномерно покрыть волокна в центре и по краям жгута или ткани.

Известен способ получения многослойных защитных покрытий на жестких углеродных и графитовых изделиях путем их предварительного вакуумирования и заполнения пор тела концентрированным раствором кремнезоля под давлением 6-7 атм с последующей термообработкой до 1100°С в инертной атмосфере 2J.

Однако равномерно нанести концентрированный кремнезоль под давлением на углеродные волокна очень сложно, так как нити и ткани при этом разрываются, либо склеиваются друг с другом.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому эффекту является способ получения защитных покрытий на углеродных волокнах путем осаждения на них из растворов электролитов карбидов, оксидов, нитридов. Жаростойкие соединения наносятся на поверхность углеродных волокон, которые предварительно покрывают слоем никеля в электролитической ванне.

Однако этот метод технологически сложен и. энергоемок. Кроме того, для получения равномерного покрытия необходимо контролировать плотность тока и концентрацию компонентов в электролитической ванне, поскольку тугоплавкие нитриды, оксиды, карбиды имеют высокие значения плотности и легко оседают на дно ванны.

Целью изобретения является повышение стойкости к окислению жестких и гибких в оя о книстых материалов.

Указанная цель достигается тем, что углеродные волокнистые материалы погружают в водный раствор кремнезоля или алюмозоля с концентрацией оксидов 4- 15 мас.% (в пересчете на сухое вещество) или в кремнийорганическую жидкость, разбавленную растворителем или ацетоном от 1:1 до 1:4 (по объему). Пропитывают их в указанных растворах в течение 30-60 мин при комнатной температуре, сушат, а термообработку проводят в среде инертного газа по следующему режиму: сначала нагревают со скоростью 1-2° мин до 450-500°С, выдерживают 1-2 ч, затем нагревают со скоростью подъема температуры 2-5°/мин до 900-1800°С, выдерживают 2-3 ч.

С целью повышения стойкости углеродного материала к окислению термостойкие соединения наносит не только на поверхность, но и вводят их в объем волокон. Углеродные волокна и материалы с покрытиями обладают повышенной стойкостью к окислению при температурах 700-900°С как на воздухе, так и в парогелиевой атмосфере.

Получение защитных покрытий описано в следующих примерах и табл. 1.

Пример 1. Углеродную ткань (типа корд) с конечной температурой карбонизации 500°С размером 30x30 см пропитывают в течение 30 мин в растворе кремнезоля с -концентрацией 4 мас.%, удаляют избыток влаги пропусканием через валики, сушат на воздухе при комнатной температуре. Термообработку проводят в среде гелия по следующему режиму: нагрев до 450°С со скоростью 1°/мин, выдерживают 1 ч и затем нагревают до 1500°С со скоростью 2°/мин, выдерживают 2 ч. Получают гибкую углеродную ткань размером 30x30 см с покрытием из карбида кремния.

Пример 2. Углеродную ткань (УУТ-2) с конечной температурой карбонизации 900°С размером 25x25 см пропитывают в течение 45 мин в растворе алюмозоля 6 мае. %, удаляют избыток влаги, сушат при 100°С. Термообрабатывают в атмосфере гелия следующим образом: нагрев до 480°С со скоростью 1,5°/мин, выдерживают 1,5 ч, затем продолжают нагревать со скоростью

3°/мин до 900°С, выдерживают 3 ч. Получают углеродную ткань эластичную размером 25x25 см с покрытием из оксида алюминия рентгеноаморфной структуры.

5ПримерЗ. Углеродную ткань (УралТ15) с конечной температурой карбонизации 1500°С, содержащую 6,5 мас.% SI02 в объеме волокна, размером 35x30 см пропитывают в растворе кремнезоля с концентрацией

10 15 мас.% в течение 60 мин, удаляют избыток жидкости, сушат на воздухе при температуре 50°С. Термообработку проводят в атмосфере осушенного азота по следующему режиму: нагрев до 500°С со скоростью

15 2°/мин, выдерживают 2 ч, затем нагревают до 1100°С со скоростью 5°/мин, выдерживают 2,5 ч. Получают гибкую углеродную ткань с блестящей поверхностью размером 35x30 см, покрытие представляет собой Si02 со

0 структурой а-кристобалита.

П р м е р 4. Углеродный жгут весом ЮОг, длиной 70 см с конечной температурой карбонизации 950°С, содержащей 5,5 мас.% AlaOa в объеме волокна, пропитывают в рас5 творе диэтилсиликоната натрия (ГКЖ-94), разбавленного (1:4) по объему перхлорэти- леном с добавкой тетрабутоксититана в течение 30 мин, жгут отжимают, сушат при 150°С. Термообработку проводят в атмос0 фере осушенного азота до 480°С со скоростью 2°/мин, выдерживают 1,5 ч, затем нагревают со скоростью 5°/мин до 1800°С, выдерживают 2 ч. Получают углеродный жгут с покрытием из карбида кремния.

5 Остальные примеры приведены в табл.1.

Результаты испытания стойкости к окислению и свойства полученных материалов приведены в табл. 2.

0

Формула изобретения. Способ защиты углеродных волокнистых материалов от окисления, включающий обработку его в растворах жаростойких

5 соединений с использованием раствора кремнезоля, сушку и термообработку, о т- личающийся тем, что, с целью повышения стойкости к окислению жестких и гибких волокнистых материалов, последние обра0 батывают в течение 30-60 мин в растворах кремнезоля или алюмозоля с концентрацией в пересчете на сухое вещество 4- 15 мас.% или в кремнийорганических жидкостях, разбавленных перхлорэтиленом

5 или ацетоном в соотношении от 1:1 до 1:4, а термообработку проводят в инертной атмосфере по следующему режиму: нагрев со скоростью 1-2 град/мин до 450-500°С, выдержка 1-2 ч, затем нагрев со скоростью 2-5 град/мин до 900-1800°С, выдержка 2-3 ч.

Примечание: ТБОТ - тетрабутоксититан - катализатор полимеризации кремнийорганических жидкостей

Таблица 2

Использование: для создания защитных покрытий материалов, подвергающихся химической и термической коррозии в окислительной атмосфере. Сущность изобретения: углеродные волокнистые материалы пропитывают в течение 30-60 мин в растворах кремнезоля или алюмозоля с концентрацией 4-15 мас.% (в пересчете на сухое вещество) или в кремнийорганических жидкостях, разбавленных перхлорэтиленом или ацетоном в соотношении от 1:1 до 1:4, сушат в диапазоне температур 20-200°С при скорости нагрева 0,5-1 град/мин и тер- мообрабатывают в инертной атмосфере по следующему режиму: нагрев со скоростью 1-2°/мин до 450-500 С, выдержка 1-2 ч, затем нагрев со скоростью 2-5°/мин до 900-1800°С, выдержка 2-3 ч. Причем жаростойкость волокон при температуре 700-900°С 0,041 - 0,11 г/м2-с. 2 табл.