RU2186725C2 - Способ изготовления изделий из углеродного композиционного материала - Google Patents
Способ изготовления изделий из углеродного композиционного материала Download PDFInfo
- Publication number
- RU2186725C2 RU2186725C2 RU2000104330/12A RU2000104330A RU2186725C2 RU 2186725 C2 RU2186725 C2 RU 2186725C2 RU 2000104330/12 A RU2000104330/12 A RU 2000104330/12A RU 2000104330 A RU2000104330 A RU 2000104330A RU 2186725 C2 RU2186725 C2 RU 2186725C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- carbon
- porous
- porous skeleton
- finely dispersed
- pyrocarbon
- Prior art date
Links
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 87
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 79
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 20
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims description 7
- 239000000945 filler Substances 0.000 claims abstract description 54
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 51
- 239000011148 porous material Substances 0.000 claims abstract description 24
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 claims abstract description 22
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 claims abstract description 19
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims abstract description 17
- 238000005470 impregnation Methods 0.000 claims abstract description 15
- 238000011049 filling Methods 0.000 claims abstract description 14
- 239000004744 fabric Substances 0.000 claims abstract description 11
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 claims abstract description 7
- 230000002706 hydrostatic effect Effects 0.000 claims abstract description 5
- 238000005056 compaction Methods 0.000 claims description 18
- 229920005596 polymer binder Polymers 0.000 claims description 11
- 239000002491 polymer binding agent Substances 0.000 claims description 11
- 238000005187 foaming Methods 0.000 claims description 10
- 238000003754 machining Methods 0.000 claims description 9
- 238000007789 sealing Methods 0.000 claims description 9
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims description 5
- CREMABGTGYGIQB-UHFFFAOYSA-N carbon carbon Chemical compound C.C CREMABGTGYGIQB-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 239000011203 carbon fibre reinforced carbon Substances 0.000 claims 1
- 230000035699 permeability Effects 0.000 abstract description 24
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 abstract description 21
- 239000000835 fiber Substances 0.000 abstract description 7
- 239000010439 graphite Substances 0.000 abstract description 6
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 abstract description 6
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 238000004804 winding Methods 0.000 abstract description 3
- 238000005272 metallurgy Methods 0.000 abstract description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 abstract 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 43
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 24
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 22
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical class C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 14
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 12
- 230000032798 delamination Effects 0.000 description 5
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 5
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 5
- 239000011229 interlayer Substances 0.000 description 4
- 239000004372 Polyvinyl alcohol Substances 0.000 description 3
- 229920002451 polyvinyl alcohol Polymers 0.000 description 3
- 238000000197 pyrolysis Methods 0.000 description 3
- 238000003763 carbonization Methods 0.000 description 2
- 239000000571 coke Substances 0.000 description 2
- 238000000280 densification Methods 0.000 description 2
- SLGWESQGEUXWJQ-UHFFFAOYSA-N formaldehyde;phenol Chemical compound O=C.OC1=CC=CC=C1 SLGWESQGEUXWJQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229920001568 phenolic resin Polymers 0.000 description 2
- 239000013354 porous framework Substances 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000009941 weaving Methods 0.000 description 2
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 1
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 230000006735 deficit Effects 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 238000004821 distillation Methods 0.000 description 1
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 1
- 239000012765 fibrous filler Substances 0.000 description 1
- 230000001771 impaired effect Effects 0.000 description 1
- 239000002648 laminated material Substances 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- -1 petrochemical Substances 0.000 description 1
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 description 1
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 1
- 239000002952 polymeric resin Substances 0.000 description 1
- 238000000079 presaturation Methods 0.000 description 1
- 239000002296 pyrolytic carbon Substances 0.000 description 1
- 230000002787 reinforcement Effects 0.000 description 1
- 238000009738 saturating Methods 0.000 description 1
- 239000004071 soot Substances 0.000 description 1
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 1
- 230000002269 spontaneous effect Effects 0.000 description 1
- 238000013517 stratification Methods 0.000 description 1
- 229920003002 synthetic resin Polymers 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 238000005382 thermal cycling Methods 0.000 description 1
Landscapes
- Ceramic Products (AREA)
Abstract
Изобретение предназначено для химической, нефтехимической и химико-металлургической промышленности и может быть использовано при получении деталей, работающих при избыточном давлении и в агрессивных средах. На графитовой оправке методом намотки формируют пористый каркас из углеродных волокон и мелкодисперсного углеродного наполнителя фракцией не более 60 мкм. Содержание углеродных волокон уменьшается по толщине от центральной части к поверхности от 100 до 0%, содержание углеродного порошка соответственно возрастает от 0 до 100%. Волокнистую часть пористого каркаса можно формировать с увеличивающимся от центра к поверхности размером пор или равномерной плотности. Заполнение пор мелкодисперсным углеродным наполнителем можно проводить вакуумным или гидростатическим методом, вводя дополнительно безусадочное невспенивающееся связующее. Вместо волокон можно использовать ткань. На одной или нескольких поверхностях волокнистой части пористого каркаса можно дополнительно формировать слой мелкодисперсного углеродного наполнителя толщиной, на 1 мм превышающей величину припуска на механическую обработку. Перед заполнением пор волокнистой части пористого каркаса можно придать жесткость, достаточную для сохранения формы изделия, путем насыщения пироуглеродом и/или пропитки полимерным связующим при сохранении открытой пористости не менее 30%. После формирования пористого каркаса проводят его уплотнение пироуглеродом изотермическим методом при пониженном парциальном давлении углеродсодержащего газа или термоградиентным методом. Изобретение позволяет получить высокопрочные изделия с пониженной газопроницаемостью. 8 з.п.ф-лы.
Description
Изобретение относится к изготовлению изделий из углеродного композиционного материала и может быть использовано в химической, нефтехимической, химико-металлургической и родственных областях промышленности, например, в деталях, работающих при избыточном давлении рабочей среды, химически агрессивных средах после дополнительной герметизации поверхности изделия.
Известен способ изготовления изделий из углеродного композиционного материала, включающий формирование пористого каркаса на основе порошкового (дисперсного) наполнителя и пропитку его пироуглеродом из газовой фазы (Сборник трудов 4, "Конструкционные материалы на основе графита". - М.: Металлургия, с.35-39).
Недостатком способа является низкая прочность получаемых изделий, в т.ч. к ударным нагрузкам (σp= 5-6 кгс/мм2, σсж= 50-70 кгс/мм2, σизг= 13-28 кгс/мм2).
Наиболее близким по технической сущности является способ изготовления изделий из углеродного композиционного материала, включающий формирование пористого каркаса из углеродного волокна и мелкодисперсного углеродного наполнителя и пропитку его углеродным связующим (а.с. СССР 1774521, Н 05 В 3/14, С 04 В 35/52).
Способ позволяет повысить прочность изделия, в т.ч. к ударным нагрузкам, за счет формирования его углеродным волокнистым наполнителем.
Недостатком способа является сравнительно высокая проницаемость материала изделий, что усложняет процесс их последующей герметизации для обеспечения работоспособности изделий при перепаде давления.
Предлагаемый способ позволяет понизить проницаемость материала изделий за счет образования в изделии поверхностных слоев из материала низкой проницаемости (с коэффициентом газопроницаемости на уровне 1•10-10 см2/с) при сохранении достаточно высокой механической прочности изделий.
Такой технический эффект достигается тем, что в известном способ изготовления изделий из углеродного композиционного материала, включающем формирование пористого каркаса из углеродных волокон и мелкодисперсного углеродного наполнителя, пропитку пористого каркаса углеродным связующим, пористый каркас формируют с уменьшающимся от его центральной по толщине части к поверхности содержанием углеродных волокон от 100 до 0% и соответственно с увеличивающимся от 0 до 100% содержанием мелкодисперсного углеродного наполнителя, при этом в качестве мелкодисперсного углеродного наполнителя используют порошок фракцией не более 60 мкм, а пропитку пористого каркаса производят пироуглеродом из газовой фазы.
Волокнистую часть пористого каркаса можно формировать объемной структуры с увеличивающимся от ее центра к поверхности размером пор с последующим их заполнением мелкодисперсным углеродным наполнителем вакуумным или гидростатическим методом, при этом в качестве связующего для мелкодисперсного углеродного наполнителя можно использовать безусадочное невспенивающееся полимерное связующее.
Волокнистую часть пористого каркаса можно формировать путем послойной выкладки тканевых заготовок с увеличивающимся от ее центра к поверхности размером пор заполнением их мелкодисперсным углеродным наполнителем, чередуя заполнение пор мелкодисперсным углеродным наполнителем с послойной выкладкой тканевых заготовок.
Волокнистую часть пористого каркаса можно формировать однородной пористости.
На одной или нескольких поверхностях волокнистой части пористого каркаса можно дополнительно формировать слой мелкодисперсного углеродного наполнителя толщиной, по крайней мере, на 1 мм больше величины припуска на механическую обработку изделия.
Перед заполнением пор волокнистой части пористого каркаса и/или перед дополнительным формированием слоя мелкодисперсного углеродного наполнителя волокнистой части пористого каркаса можно придавать тем или иным способом предварительную жесткость, достаточную для сохранения ее формы.
Предварительную жесткость волокнистой части пористого каркаса можно обеспечить путем пропитки ее углеродным связующим при сохранении открытой пористости не менее 30% или путем пропитки невспенивающимся полимерным связующим.
Пропитку пористого каркаса пироуглеродом можно производить изотермическим методом при пониженном парциальном давлении углеродсодержащего газа или термоградиентным методом.
Формирование пористого каркаса с уменьшающимся от его центральной по толщине части к поверхности содержанием углеродных волокон от 100 до 0% и соответственно с увеличивающимся от 0 до 100% содержанием мелкодисперсного углеродного наполнителя, использование в качестве мелкодисперсного углеродного наполнителя порошка фракцией не более 60 ммк позволяет, сохраняя достаточную степень армирования, уменьшить размеры пор поверхностных слоев каркаса до микронных размеров (в то время как минимальные размеры межволокнистых пор каркаса находятся на уровне сотен микрон) и тем самым создать предпосылки для получения, после их пропитки углеродным связующим, наружных слов материала с мелкопористой структурой и преимущественным содержанием закрытых пор.
Использование мелкодисперсного углеродного наполнителя в виде порошка фракцией более 60 ммк не позволило бы получить поверхностные слои материала изделия с мелкопористой структурой.
Осуществление пропитки пористого каркаса пироуглеродом из газовой фазы позволяет получить материал с достаточным уровнем механической прочности и поверхностными слоями с мелкопористой структурой и преимущественным содержанием закрытых пор, что, в свою очередь, позволяет существенно снизить проницаемость материала изделия ( снизить коэффициент проницаемости наружных слоев материала с 1•10-6 до 1•10-10 см2/с).
Осуществление пропитки пористого каркаса углеродным связующим, включающим кокс полимерной смолы и пироуглерод, приводит к образованию в поверхностных слоях материала пор крупного размера (сотни микрон) и трещин, которые чаще всего не заполняются полностью при последующем уплотнении пироуглеродом. При работе изделий (особенно это касается тех, что работают при перепаде температур и/или термоциклировании) происходит раскрытие трещин вплоть до нарушения целостности изделий.
Формирование волокнистой части пористого каркаса объемной структуры с увеличивающимся от ее центра к поверхности размером пор с последующим их заполнением мелкодисперсным углеродным наполнителем вакуумным или гидростатическим методом, используя при этом в качестве связующего для мелкодисперсного углеродного наполнителя безусадочное невспенивающееся полимерное связующее, обеспечивает, во-первых, лучшее сцепление наружных слоев материала с внутренними, во-вторых, более плавное изменение КЛТР по толщине изделия, что важно для сохранения целостности поверхностных слоев материала.
Формирование волокнистой части пористого каркаса путем послойной выкладки тканевых заготовок с увеличивающимся от ее центра к поверхности размером пор и заполнением пор мелкодисперсным углеродным наполнителем, производимых с чередованием с послойной выкладкой тканевых заготовок, позволяет наряду с выше отмеченным эффектом еще и расширить возможность способа.
Формирование волокнистой части пористого каркаса однородной пористости также позволяет расширить возможности способа.
Дополнительное формирование на одной или нескольких поверхностях волокнистой части пористого каркаса слоя мелкодисперсного углеродного наполнителя толщиной, по крайней мере, на 1 мм больше величины припуска на механическую обработку изделия позволяет придать ему пониженную проницаемость со стороны поверхности. Это важно для изделий, поверхностные слои которых находятся в непосредственном контакте с химически агрессивной средой или когда нежелательна адсорбция этими слоями контактирующих с ними жидкостей и/или газов.
Придание тем или иным способом волокнистой части пористого каркаса предварительной жесткости, достаточной для сохранения ее формы, перед заполнением по и/или перед дополнительным формированием слоя мелкодисперсного углеродного наполнителя, позволяет произвести армирование изделия волокнистым наполнителем в строго определенном месте. Прежде всего это касается крупногабаритных изделий и изделий сложной формы.
Придание предварительной жесткости волокнистой части пористого каркаса путем пропитки ее углеродным связующим при сохранении открытой пористости не менее 30% или путем пропитки невспенивающимся полимерным связующим не затрудняет совместную пропитку пироуглеродом волокнистой и дисперсной частей пористого каркаса и тем самым создает предпосылки для получения монолитного материала изделия.
При величине открытой пористости менее 30% появляется расслоение материала из-за дефицита углеродного связующего на границе волокнистой и дисперсной частей пористого каркаса.
Использование при пропитке волокнистой части пористого каркаса вспенивающегося (при температурном воздействии) полимерного связующего приводит к нарушению исходной (перед уплотнением пироуглеродом) мелкодисперсной структуры дисперсной части пористого каркаса из-за быстрого и спонтанного выделения газов, происходящего при вспенивании полимерного связующего и его разложении под воздействием высоких температур.
Проведение пропитки пористого каркаса пироуглеродом изотермическим методом при пониженном парциальном давлении углеродсодержащего газа позволяет получить материал тонкостенных изделий пониженной проницаемости.
Проведение пропитки пористого каркаса термоградиентным методом позволяет получить материал пониженной проницаемости независимо от толщины изделия.
У объекта изобретения в новой совокупности признаков появляется новое свойство - способность обеспечить пониженную проницаемость поверхностных слоев материала изделия при сохранении его достаточно высокой механической прочности, что позволяет упростить операцию герметизации изделий и повысить надежность их работы под давлением и в химически агрессивных средах.
Способ осуществляют следующим образом.
Из углеродных волокон и мелкодисперсного углеродного наполнителя фракцией не более 60 ммк формируют пористый каркас. Пористый каркас формируют с уменьшающимся от его центральной по толщине части к поверхности содержанием углеродных волокон от 100 до 0% и соответственно с увеличивающимся от 0 до 100% содержанием мелкодисперсного углеродного наполнителя. После этого пористый каркас пропитывают пироуглеродом из газовой фазы.
Заявляемым способом были изготовлены различные типы изделий.
Ниже приведены примеры конкретного выполнения способа.
Пример 1. Изготовление трубки размерами ⌀ 32 • ⌀ 52 • L 600 мм.
На графитовой оправке ⌀ 28 мм методом намотки углеродной ткани марки УРАЛ Т-22 формируют волокнистую часть пористого каркаса ⌀ 46 мм. Затем по наружной поверхности волокнистой части пористого каркаса однородной пористости дополнительно формируют слой мелкодисперсного углеродного наполнителя до диаметра каркаса 58-66 мм. В качестве мелкодисперсного углеродного наполнителя используют графитовый порошок, или сажу, или измельченный углеродный композиционный материал, или смесь этих порошков фракцией не более 60 ммк. В результате получают пористый каркас с уменьшающимся к наружной поверхности содержанием углеродных волокон от 100 до 0% и соответственно с увеличивающихся от 0 до 100% содержанием мелкодисперсного углеродного наполнителя. После этого пористый каркас пропитывают (уплотняют) пироуглеродом из газовой фазы изотермическим методом при пониженном парциальном давлении углеродсодержащего газа, в конкретном случае при Р= 10±2 мм рт.ст. и температуре 960±10oC, времени уплотнения - 360 ч.
В результате механической обработки изделия получают материал без трещин и расслоений с достаточно высокой межслоевой прочностью. При этом часть материала изделия, армированная углеродным волокном, имеет высокую механическую прочность (σ = 6,7 кгс/мм2, σ = 12,8 кгс/мм2, σ = 15,4 кгс/мм2), но сравнительно большой коэффициент газопроницаемости (К=(2-3)•10-8 см2/с), в то время как наружный слой материала, армированный мелкодисперсным углеродным наполнителем, наоборот имеет сравнительно низкую механическую прочность (σp= 2,14 кгс/мм2, σизг= 6,4 кгс/мм2, σсж= 9,3 кгс/мм2) и меньший коэффициент газопроницаемости (К=2,5•10-10 см2/с), в целом изделие из такого материала имеет сравнительно высокую механическую прочность и низкую проницаемость.
Пример 2. Изготовление трубки ⌀ 32 • ⌀ 82 • L 600 мм.
Пористый каркас изготавливают аналогично примеру 1. Уплотнение пористого каркаса пироуглеродом из газовой фазы производят термоградиентным методом при парциальном давлении углеродсодержащего газа 780-783 мм рт.ст., при температуре в зоне пиролиза 980±15oC и скорости давления зоны пиролиза 0,25 мм/ч. Использование при уплотнении пористого каркаса пироуглеродом термоградиентного метода позволяет получить материал в той части изделия, что армирована углеродным волокном в 1,2-1,3 раза более высокой механической прочности, чем при изотермическом методе уплотнения. Это объясняется тем, что при наличии у градиента температур по толщине каркаса наружные его слои до тех пор полностью не уплотняется пироуглеродом, пока до них не переместится зона пиролиза, тем самым они не препятствуют диффузии углеродсодержащего газа и более пористой волокнистой части каркаса, что позволяет уплотнить ее до максимально возможной плотности (а значит, придать материалу изделия большую механическую прочность и меньшую проницаемость).
При изотермическом же методе уплотнения из-за более низкой пористости наружных слоев пористого каркаса и подхода с их стороны (т.е. со стороны наружных слоев) углеродсодержащего газа происходит их преимущественное уплотнение пироуглеродом. По этой причине затрудняется доступ углеродсодержащего газа к внутренним слоям пористого каркаса, в результате чего они оказываются либо недоуплотненными, либо процесс уплотнения пироуглеродом удлиняется в 1,5-3 раза. Особенно это касается изделий сравнительно большой толщины (> 15 мм).
После уплотнения пористого каркаса вышеописанной структуры пироуглеродом и механической обработки заготовки получают материал без трещин и расслоений с высокой межслоевой прочностью. При этом часть материала изделия, армированная углеродным волокном, имеет высокую механическую прочность (σ = 8,6 кгс/мм2, Еp о = 1,9 • 103 кгс/мм2, σ =16 кгс/мм2, σ = 21,4 кгс/мм2, σ = 13,9 кгс/мм2), но сравнительно большой коэффициент газопроницаемости (К = 1 • 10-8 см2/с), в то время как часть материала изделия, армированная мелкодисперсным углеродным наполнителем, имеет наоборот сравнительно низкую механическую прочность (σp= 2,86 кгс/мм2, σизг= 7,2 кгс/мм2, σсж= 11,2 кгс/мм2), но меньший коэффициент газопроницаемости (К = 1 • 10-10 см2/с).
В целом изделие из такого слоистого материала обладает достаточно высокой механической прочностью, в т.ч. к ударным нагрузкам, и низкой проницаемостью. Придание поверхностному слою (слоям) материала пониженной проницаемости позволяет упростить процесс последующей герметизации изделий, а также повысить надежность их работы под избыточным давлением.
Пример 3. Изготовление трубы ⌀ 300 • ⌀ 324 • Н 1000 мм, используемой после герметизации ее поверхностных слоев в качестве царги ректификационной колонны.
На графитовой оправке ⌀ 294 мм методом намотки углеродной ткани марки УРАЛ ТМ-4 формируют волокнистую часть пористого каркаса ⌀ 320 мм. Затем придают ей предварительную жесткость путем насыщения ее пироуглеродом изотермическим методом при температуре 980oC , давлении Р = 16 мм рт.ст., в течение 48 ч. В результате получают волокнистую часть пористого каркаса достаточной жесткости, материал которой имеет открытую пористость в пределах 36-48%. Затем по внутренней и наружной поверхностям волокнистой части каркаса дополнительно формируют слои мелкодисперсного углеродного наполнителя до размеров пористого каркаса соответственно 294 и 334 мм по диаметру. Полученный пористый каркас уплотняют пироуглеродом термоградиентным методом (аналогично примеру 2). Затем заготовку подвергают механической обработке до требуемых размеров. Благодаря наличию в волокнистой части пористого каркаса открытой пористости в пределах 36-48% (т.е. больше 30%) получают слоистый материал изделия с достаточно высокой межслоевой прочностью, о чем свидетельствует отсутствие в нем расслоений и не возникновение их в процессе работы. Придание предварительной жесткости волокнистой части пористого каркаса расширяет технологические возможности способа и позволяет произвести армирование изделия волокнистым углеродным наполнителем в строго определенном месте.
Пример 4. Изготовление трубы ⌀ 300 • ⌀ 324 • Н 1000 мм.
Изготовление трубы производится аналогично примеру 3, с тем отличием, что в результате более длительного 180-часового процесса насыщения (не 48- часового), при неизменных других его параметрах, волокнистой части пористого каркаса получают материал с открытой пористостью в пределах 16-24% (т.е. менее 30%). Следствием сравнительно низкой открытой пористости волокнистой части пористого каркаса является то, что наблюдаются отслоения наружных слоев материала изделий от слоев материала, армированных волокнами. Это происходит из-за того, что на этапе уплотнения пористого каркаса пироуглеродом последний на границе раздела слоев имеет недостаточное взаимопроникновение, что снижает адгезионную связь между ними.
Пример 5. Изготовление трубы размерами ⌀ 300 • ⌀ 324 • Н 1000 мм.
На графитовой оправке ⌀ 306 мм нарабатывают из углеродной нити марки УРАЛ-Н на круглоткацкой машине волокнистую часть пористого каркаса ⌀ 320 мм. При этом наработку волокнистой части пористого каркаса производят с увеличивающимся от него центральной по толщине части и внутренней и наружной поверхностями размером ячеек (пор). После этого ей придают предварительную жесткость путем уплотнения пироуглеродом из газовой фазы при температуре 990oC, давлении 10±2 мм рт.ст., времени уплотнения 90 ч. В результате получают волокнистую часть пористого каркаса достаточной жесткости, материал которой имеет открытую пористость в пределах (на уровне) 30-40%. Затем ячейки жесткой волокнистой части пористого каркаса заполняют мелкодисперсным углеродным наполнителем вакуумным или гидростатическим методом, используя в качестве связующего для мелкодисперсного углеродного наполнителя безусадочное невспенивающееся полимерное связующее. В конкретном случае 8% раствор поливинилового спирта в воде. Использование такого типа связующего для мелкодисперсного углеродного наполнителя исключает образование в нем трещин при нагревании каркаса.
Затем по внутренней и наружной поверхностям волокнистой части пористого каркаса формируют слой мелкодисперсного углеродного наполнителя до размеров каркаса соответственно 94 и 334 мм по диаметру, т.е. на 1 мм больше, чем припуск на механическую обработку внутренней поверхности (2 мм на сторону) и на 1 мм больше, чем припуск на механическую обработку наружной поверхности заготовки. При меньшей толщине формируемого из мелкодисперсного углеродного наполнителя слоя можно в процессе механической обработки уплотненной пироуглеродом заготовки оголить ту часть материала, что армирована углеродным волокном и обладает, как отмечалось выше, более высокой проницаемостью, чем материал, армированный только мелкодисперсным углеродным наполнителем.
В результате выполнения предыдущих операций получают пористый каркас с содержанием волокнистого наполнителя, изменяющегося от его центральной по толщине части к внутренней и наружной поверхностям от 100 до 0% и соответственно с увеличивающимся содержанием мелкодисперсного углеродного наполнителя от 0 до 100%. При этом изменение содержания волокна происходит плавно от 100 до 0%, а не резко, как в примерах 1 и 2. Затем пористый каркас уплотняют пироуглеродом изотермическим методом при пониженном парциальном давлении углеродсодержащего газа (аналогично примеру 1).
После уплотнения пористого каркаса вышеописанной структуры пироуглеродом и механической обработки заготовки получают качественную деталь из слоистого материала без трещин и расслоений, с высокой межслоевой прочностью и плавно изменяющимся КЛТР. В целом изделие из такого слоистого материала обладает достаточно высокой механической прочностью, в т.ч. к ударным и температурным нагрузкам, и низкой проницаемостью.
Пример 6. Изготовление трубы ⌀ 300 • ⌀ 324 • Н 1000 мм.
Формирование пористого каркаса производят аналогично примеру 5. Уплотнение пористого каркаса пироуглеродом в отличие от примера 5 производится термоградиентным методом (аналогично примеру 2). Уплотнение пористого каркаса пироуглеродом из газовой фазы термоградиентным методом позволяет получить материал изделия на 15-30% более высокой механической прочности и в 1,5-3 раза меньшей проницаемости, чем материал изотермического уплотнения, полученный по примеру 5.
Пример 7. Изготовление трубы ⌀ 300 • ⌀ 324 • Н 1000 мм.
Волокнистую часть пористого каркаса изготавливают аналогично примеру 5. Затем ей придают предварительную жесткость путем пропитки невспенивающимся полимерным связующим, например 8% раствором поливинилового спирта, с последующей сушкой при температуре 20-60oC. Затем ячейки жесткой волокнистой части каркаса заполняют мелкодисперсным углеродным наполнителем, используя в качестве связующего для мелкодисперсного углеродного наполнителя безусадочное невспенивающееся связующее. Дальнейшую обработку проводят аналогично примеру 2. Использование для придания волокнистой части предварительной жесткости путем пропитки невспенивающимся полимерным связующим позволяет, в сравнении с примерами 5 и 6, упростить способ, а именно: упростить его конструктивно-технологическое обеспечение и, в частности, исключить операцию предварительного насыщения пироуглеродом.
Пример 8. Изготовление трубы ⌀ 300 • ⌀ 324 • Н 1000 мм.
Волокнистую часть пористого каркаса формируют аналогично примеру 3. Затем придают ей предварительную жесткость путем пропитки углеродным связующим. Для этого волокнистую часть каркаса пропитывают фенолформальдегидным связующим, отверждают под давлением, после чего проводят карбонизацию в инертной среде при конечной температуре 850oC. В результате получают жесткую волокнистую часть пористого каркаса, материал которой имеет открытую пористость на уровне 30-40%. Дальнейшую обработку проводят аналогично примеру 3. Использование для придания волокнистой части пористого каркаса предварительной жесткости путем пропитки ее коксополимерным связующим расширяет технологические возможности способа.
Пример 9. Изготовление трубы ⌀ 300 • ⌀ 324 • Н 1000 мм
Волокнистую часть пористого каркаса формируют на графитовой оправке путем послойной выкладки тканевых заготовок с увеличивающимся от ее центральной по толщине части к поверхности размером пор, чередуя выкладку тканевых заготовок с заполнением пор мелкодисперсным углеродным наполнителем. При этом в качестве тканевых заготовок используют тканевые заготовки, специально наработанные из углеродной нити УРАЛ-Н на плоскоткацком станке. Дальнейшую обработку проводят аналогично примеру 2. Формирование волокнистой части пористого каркаса путем послойной выкладки тканевых заготовок с увеличивающимся к ее наружной поверхности размером ячеек (пор), чередуемое с заполнением пор мелкодисперсным углеродным наполнителем, позволяет расширить технологические возможности способа.
Волокнистую часть пористого каркаса формируют на графитовой оправке путем послойной выкладки тканевых заготовок с увеличивающимся от ее центральной по толщине части к поверхности размером пор, чередуя выкладку тканевых заготовок с заполнением пор мелкодисперсным углеродным наполнителем. При этом в качестве тканевых заготовок используют тканевые заготовки, специально наработанные из углеродной нити УРАЛ-Н на плоскоткацком станке. Дальнейшую обработку проводят аналогично примеру 2. Формирование волокнистой части пористого каркаса путем послойной выкладки тканевых заготовок с увеличивающимся к ее наружной поверхности размером ячеек (пор), чередуемое с заполнением пор мелкодисперсным углеродным наполнителем, позволяет расширить технологические возможности способа.
Пример 10. Изготовление трубы ⌀ 300 • ⌀ 324 • Н 1000 мм
Формирование пористого каркаса проводят аналогично примерам 1 и 2. Пропитку пористого каркаса, включая мелкодисперсный углеродный наполнитель, проводят углеродным связующим, а точнее, комбинированным, включающим кокс полимерного связующего и пироуглерод. Для этого пористый каркас пропитывают фенолформальдегидным связующим, отверждают под давлением 5 атм/см2 и температуре 160oC, после чего карбонизируют в инертной среде при конечной температуре 850oC и скорости подъема температуры 3-6 град/ч. Затем поры материала полученной заготовки уплотняют пироуглеродом при температуре 970-990oC, давлении 10±2 мм рт.ст. в течение 360 ч. На этапе карбонизации углепластиковой заготовки в слое дисперсного углеродного наполнителя образуются усадочные трещины, которые не зарастают при последующем уплотнении пироуглеродом. В результате получают материал изделия повышенной проницаемости. Более того, даже в результате проведения (после механической обработки заготовки) дополнительной герметизации поверхностных слоев материала изделия (после доуплотнения пироуглеродом низкотермическим методом при пониженном парциальном давлении углеродсодержащего газа), изделия остались проницаемыми для глаз. Данное заключение сделано на основе испытаний изделий на герметичность под давлением 5 атм.
Формирование пористого каркаса проводят аналогично примерам 1 и 2. Пропитку пористого каркаса, включая мелкодисперсный углеродный наполнитель, проводят углеродным связующим, а точнее, комбинированным, включающим кокс полимерного связующего и пироуглерод. Для этого пористый каркас пропитывают фенолформальдегидным связующим, отверждают под давлением 5 атм/см2 и температуре 160oC, после чего карбонизируют в инертной среде при конечной температуре 850oC и скорости подъема температуры 3-6 град/ч. Затем поры материала полученной заготовки уплотняют пироуглеродом при температуре 970-990oC, давлении 10±2 мм рт.ст. в течение 360 ч. На этапе карбонизации углепластиковой заготовки в слое дисперсного углеродного наполнителя образуются усадочные трещины, которые не зарастают при последующем уплотнении пироуглеродом. В результате получают материал изделия повышенной проницаемости. Более того, даже в результате проведения (после механической обработки заготовки) дополнительной герметизации поверхностных слоев материала изделия (после доуплотнения пироуглеродом низкотермическим методом при пониженном парциальном давлении углеродсодержащего газа), изделия остались проницаемыми для глаз. Данное заключение сделано на основе испытаний изделий на герметичность под давлением 5 атм.
Пример 11. Изготовление стержней ⌀ 30 • Н 1650 мм
Из однонаправленных углеродных волокон марки УРАЛ-Н или УКН-5000 набирают пучок
8-12 мм, пропитывают его 8% раствором поливинилового спирта в воде. Растянув пучок волокон между двумя жестко закрепленными стойками, обматывают его вокруг углеродной нитью. После этого пучок отверждают в оснастке, придающей ему прямолинейность. После отверждения пучка волокон получают стержень ⌀ 8-12 мм, затем по нему наматывают углеродную ткань марки УРАЛ Т-22 до ⌀ 24 мм. Затем по наружной поверхности волокнистой части пористого каркаса дополнительно формируют слой из мелкодисперсного углеродного наполнителя до ⌀ 52-58 мм. Уплотнение пироуглеродом производят аналогично примеру 2. Полученную заготовку подвергают механической обработке до заданных размеров. В результате получают стержень из слоистого материала достаточно высокой механической прочности, в т.ч. к ударным нагрузкам, с поверхностным слоем пониженной проницаемости.
Из однонаправленных углеродных волокон марки УРАЛ-Н или УКН-5000 набирают пучок
Claims (9)
1. Способ изготовления изделий из углеродного композиционного материала, включающий формирование пористого каркаса из углеродных волокон и мелкодисперсного углеродного наполнителя, уплотнение пористого каркаса пироуглеродом из газовой фазы, отличающийся тем, что пористый каркас формируют с уменьшающимся от его центральной по толщине части к поверхности содержанием углеродных волокон от 100 до 0% и, соответственно, с увеличивающимся от 0 до 100% содержанием мелкодисперсного углеродного наполнителя, при этом в качестве мелкодисперсного углеродного наполнителя используют порошок фракцией не более 60 мкм.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что волокнистую часть пористого каркаса формируют объемной структуры с увеличивающимся от ее центра к поверхности размером пор с последующим их заполнением мелкодисперсным углеродным наполнителем вакуумным или гидростатическим методом, при этом дополнительно вводят безусадочное невспенивающееся полимерное связующее.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что пористый каркас формируют путем послойной выкладки тканевых заготовок с увеличивающимся от центра к его поверхности размером пор и заполнения их мелкодисперсным углеродным наполнителем, выполняя указанные операции поочередно.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что волокнистую часть пористого каркаса формируют однородной плотности.
5. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что на одной или нескольких поверхностях волокнистой части пористого каркаса дополнительно формируют слой мелкодисперсного углеродного наполнителя толщиной, по крайней мере, на 1 мм больше величины припуска на механическую обработку изделия.
6. Способ по любому из пп.2-5, отличающийся тем, что перед заполнением пор и/или перед дополнительным формированием слоя мелкодисперсного углеродного наполнителя волокнистой части пористого каркаса придают жесткость, достаточную для сохранения ее формы.
7. Способ по п.5 или 6, отличающийся тем, что жесткость волокнистой части пористого каркаса обеспечивают путем ее насыщения пироуглеродом и/или путем ее пропитки полимерным связующим при сохранении открытой пористости не менее 30%.
8. Способ по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что уплотнение пористого каркаса пироуглеродом производят изотермическим методом при пониженном парциальном давлении углеродсодержащего газа.
9. Способ по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что уплотнение пористого каркаса пироуглеродом производят термоградиентным методом.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2000104330/12A RU2186725C2 (ru) | 2000-02-21 | 2000-02-21 | Способ изготовления изделий из углеродного композиционного материала |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2000104330/12A RU2186725C2 (ru) | 2000-02-21 | 2000-02-21 | Способ изготовления изделий из углеродного композиционного материала |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2000104330A RU2000104330A (ru) | 2002-01-20 |
| RU2186725C2 true RU2186725C2 (ru) | 2002-08-10 |
Family
ID=20230955
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2000104330/12A RU2186725C2 (ru) | 2000-02-21 | 2000-02-21 | Способ изготовления изделий из углеродного композиционного материала |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2186725C2 (ru) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2497750C1 (ru) * | 2012-07-10 | 2013-11-10 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет" | Способ изготовления герметичных изделий из углерод-углеродного композиционного материала |
| RU2747636C1 (ru) * | 2019-12-16 | 2021-05-11 | Акционерное общество "Уральский научно-исследовательский институт композиционных материалов" | Длинномерная малого диаметра тонкостенная труба из углерод-углеродного композиционного материала и способ ее изготовления |
| RU2747635C1 (ru) * | 2019-12-11 | 2021-05-11 | Акционерное общество "Уральский научно-исследовательский институт композиционных материалов" | Способ изготовления изделий из углерод-углеродного композиционного материала в форме оболочки |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3914395A (en) * | 1972-04-03 | 1975-10-21 | Avco Corp | Process for the manufacture of high strength carbon/carbon graphitic composites |
| US3993738A (en) * | 1973-11-08 | 1976-11-23 | The United States Of America As Represented By The United States Energy Research And Development Administration | High strength graphite and method for preparing same |
| US5147588A (en) * | 1989-06-16 | 1992-09-15 | Akebono Brake Industry Co., Ltd. | Method of making carbon/carbon composite |
| US5217657A (en) * | 1989-09-05 | 1993-06-08 | Engle Glen B | Method of making carbon-carbon composites |
| RU2016844C1 (ru) * | 1991-02-26 | 1994-07-30 | Государственный научно-исследовательский институт конструкционных материалов на основе графита | Способ получения армированного графита |
| RU2034780C1 (ru) * | 1992-07-01 | 1995-05-10 | Научно-исследовательский институт электрофизической аппаратуры им.Д.В.Ефремова | Углерод-углеродный композиционный материал |
-
2000
- 2000-02-21 RU RU2000104330/12A patent/RU2186725C2/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3914395A (en) * | 1972-04-03 | 1975-10-21 | Avco Corp | Process for the manufacture of high strength carbon/carbon graphitic composites |
| US3993738A (en) * | 1973-11-08 | 1976-11-23 | The United States Of America As Represented By The United States Energy Research And Development Administration | High strength graphite and method for preparing same |
| US5147588A (en) * | 1989-06-16 | 1992-09-15 | Akebono Brake Industry Co., Ltd. | Method of making carbon/carbon composite |
| US5217657A (en) * | 1989-09-05 | 1993-06-08 | Engle Glen B | Method of making carbon-carbon composites |
| RU2016844C1 (ru) * | 1991-02-26 | 1994-07-30 | Государственный научно-исследовательский институт конструкционных материалов на основе графита | Способ получения армированного графита |
| RU2034780C1 (ru) * | 1992-07-01 | 1995-05-10 | Научно-исследовательский институт электрофизической аппаратуры им.Д.В.Ефремова | Углерод-углеродный композиционный материал |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2497750C1 (ru) * | 2012-07-10 | 2013-11-10 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет" | Способ изготовления герметичных изделий из углерод-углеродного композиционного материала |
| RU2747635C1 (ru) * | 2019-12-11 | 2021-05-11 | Акционерное общество "Уральский научно-исследовательский институт композиционных материалов" | Способ изготовления изделий из углерод-углеродного композиционного материала в форме оболочки |
| RU2747636C1 (ru) * | 2019-12-16 | 2021-05-11 | Акционерное общество "Уральский научно-исследовательский институт композиционных материалов" | Длинномерная малого диаметра тонкостенная труба из углерод-углеродного композиционного материала и способ ее изготовления |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6497776B1 (en) | Method of manufacturing a ceramic matrix composite | |
| US6833012B2 (en) | Petroleum pitch-based carbon foam | |
| DE69726604T2 (de) | Reibungselement aus kohlenstoff/kohlenstoff-siliziumcarbid-verbundmaterial und verfahren zu seiner herstellung | |
| US5770127A (en) | Carbon or graphite foam reinforced composites | |
| US5665464A (en) | Carbon fiber-reinforced carbon composite material and process for the preparation thereof | |
| US20040258605A1 (en) | Composite tooling | |
| JP2002514155A (ja) | 緻密化された炭素発泡体から製造される炭素−炭素複合材料 | |
| RU2194683C2 (ru) | Способ изготовления изделий из силицированного углеродного композиционного материала с переменным содержанием карбида кремния | |
| CN115108844B (zh) | 一种梯度自适应碳纤维/石英纤维复合增强金属磷酸盐基复合材料及其制备方法 | |
| DE60121180T2 (de) | Bikontinuierlicher verbundwerkstoff | |
| US5773122A (en) | Reinforced carbon composites | |
| CN114920574A (zh) | 一种碳纤维三维编织制备大尺寸碳碳坩埚的方法 | |
| JP2002510596A (ja) | 繊維強化複合材料等に用いる強化繊維及び繊維ストランド、かかる強化繊維の製造方法、かかる繊維ストランドの製造方法、並びに強化繊維を用いた繊維強化複合材料の製造方法 | |
| RU2186725C2 (ru) | Способ изготовления изделий из углеродного композиционного материала | |
| CN115959917B (zh) | 一种高强度炭/炭复合材料的快速制备方法 | |
| CA2151950A1 (en) | Heat-insulating structural carbon material and process for producing heat-insulating structural carbon material | |
| US5174934A (en) | Method of in-situ fabrication of foamed thermoplastic articles and article | |
| Laberge-Lebel et al. | Manufacturing of braided thermoplastic composites with carbon/nylon commingled fibers | |
| US6861151B1 (en) | Reinforced designed cellular coal | |
| RU2218302C2 (ru) | Углеродный композиционный материал для тонкостенных оболочек и способ его изготовления | |
| RU2213047C2 (ru) | Углеродный композиционный материал для толстостенных изделий и способ его изготовления | |
| GB2347113A (en) | Manufacturing a ceramic matrix composite | |
| Ohzawa et al. | Preparation of a fibrous SiC shape using pressure-pulsed chemical vapour infiltration and its properties as a high-temperature filter | |
| DE2648900C3 (de) | Verwendung von Kohlenstoffkörpern | |
| RU2203218C2 (ru) | Композиционный материал |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PC4A | Invention patent assignment |
Effective date: 20060906 |
|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20100222 |