RU2667403C2 - Carbon-carbon composite material and method for manufacturing articles therefrom - Google Patents
Carbon-carbon composite material and method for manufacturing articles therefrom Download PDFInfo
- Publication number
- RU2667403C2 RU2667403C2 RU2016135476A RU2016135476A RU2667403C2 RU 2667403 C2 RU2667403 C2 RU 2667403C2 RU 2016135476 A RU2016135476 A RU 2016135476A RU 2016135476 A RU2016135476 A RU 2016135476A RU 2667403 C2 RU2667403 C2 RU 2667403C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- carbon
- pyrocarbon
- cccm
- coke
- needle
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 24
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 17
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 7
- CREMABGTGYGIQB-UHFFFAOYSA-N carbon carbon Chemical compound C.C CREMABGTGYGIQB-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 5
- 239000011203 carbon fibre reinforced carbon Substances 0.000 title claims abstract description 5
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 claims abstract description 40
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 claims abstract description 39
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 36
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims abstract description 20
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims abstract description 16
- 239000012763 reinforcing filler Substances 0.000 claims abstract description 16
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 claims abstract description 13
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 11
- 238000013467 fragmentation Methods 0.000 claims abstract description 8
- 238000006062 fragmentation reaction Methods 0.000 claims abstract description 8
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 claims abstract description 5
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims description 13
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 238000010000 carbonizing Methods 0.000 claims description 2
- 238000009738 saturating Methods 0.000 claims 1
- 238000005470 impregnation Methods 0.000 abstract description 7
- 238000003763 carbonization Methods 0.000 abstract description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 238000004080 punching Methods 0.000 abstract description 2
- 230000003014 reinforcing effect Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 239000002296 pyrolytic carbon Substances 0.000 abstract 1
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 11
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 description 9
- 239000000571 coke Substances 0.000 description 7
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 6
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 6
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 description 6
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 5
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 4
- KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N Isopropanol Chemical compound CC(C)O KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 3
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 description 2
- 238000000465 moulding Methods 0.000 description 2
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 2
- 238000004513 sizing Methods 0.000 description 2
- 229920001342 Bakelite® Polymers 0.000 description 1
- 208000027418 Wounds and injury Diseases 0.000 description 1
- 239000004637 bakelite Substances 0.000 description 1
- 239000004918 carbon fiber reinforced polymer Substances 0.000 description 1
- 238000009960 carding Methods 0.000 description 1
- 208000018747 cerebellar ataxia with neuropathy and bilateral vestibular areflexia syndrome Diseases 0.000 description 1
- 238000005056 compaction Methods 0.000 description 1
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 1
- 239000000945 filler Substances 0.000 description 1
- 208000014674 injury Diseases 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 239000012299 nitrogen atmosphere Substances 0.000 description 1
- 238000010422 painting Methods 0.000 description 1
- 238000000197 pyrolysis Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/515—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics
- C04B35/52—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on carbon, e.g. graphite
- C04B35/521—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on carbon, e.g. graphite obtained by impregnation of carbon products with a carbonisable material
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/515—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics
- C04B35/52—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on carbon, e.g. graphite
- C04B35/528—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on carbon, e.g. graphite obtained from carbonaceous particles with or without other non-organic components
- C04B35/532—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on carbon, e.g. graphite obtained from carbonaceous particles with or without other non-organic components containing a carbonisable binder
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/71—Ceramic products containing macroscopic reinforcing agents
- C04B35/78—Ceramic products containing macroscopic reinforcing agents containing non-metallic materials
- C04B35/80—Fibres, filaments, whiskers, platelets, or the like
- C04B35/83—Carbon fibres in a carbon matrix
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Structural Engineering (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Composite Materials (AREA)
- Reinforced Plastic Materials (AREA)
- Inorganic Fibers (AREA)
- Nonwoven Fabrics (AREA)
- Ceramic Products (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области получения углерод-углеродных композиционных материалов и изготовления изделий из них.The invention relates to the field of carbon-carbon composite materials and the manufacture of products from them.
Известен способ изготовления изделий из УУКМ, включающий формирование каркаса ткано-прошивной структуры, пропитку его коксообразующим связующим, формование углепластиковой заготовки, ее карбонизацию и насыщение пироуглеродом [Бутырин Г.М., Колесников С.А. Изменение пористой структуры и свойств композиционного углеродного материала «Граурис» на основных переделах технологии // 2011. №6. - с. 42-49]. В соответствии с указанным источником информации насыщение карбонизованного углепластика пироуглеродом производят вакуумным изотермическим методом.A known method of manufacturing products from UUKM, including the formation of a framework of a woven-piercing structure, impregnation of it with a coke-forming binder, molding of a carbon-plastic preform, its carbonization and saturation with pyrocarbon [Butyrin G.M., Kolesnikov S.A. The change in the porous structure and properties of the composite carbon material “Grauris” at the main stages of technology // 2011. No. 6. - from. 42-49]. In accordance with the specified source of information, the carbonized carbon fiber is saturated with pyrocarbon by the vacuum isothermal method.
Недостатком способа является сравнительно высокая неравномерность свойств материала толстостенных изделий из-за недостаточно равномерной пропитки каркаса коксообразующим связующим и образования поверхностной корочки при насыщении карбонизованного углепластика пироуглеродом вакуумным изотермическим методом.The disadvantage of this method is the relatively high unevenness of the material properties of thick-walled products due to insufficiently uniform impregnation of the frame with a coke-forming binder and the formation of a surface crust when carbonized carbon fiber is saturated with pyrocarbon by a vacuum isothermal method.
Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому эффекту является способ изготовления изделий из УУКМ, включающий разрезку углеродных волокон по длине, формирование из них мата, его иглопробивание, пропитку коксообразующим связующим, формование углепластиковой заготовки, ее карбонизацию и насыщение пироуглеродом из газовой фазы [пат.US 5654059, кл. В32В 5/06, опубл. 05.08.1997].The closest to the claimed technical essence and the achieved effect is a method of manufacturing products from CCCM, including cutting carbon fibers along the length, forming a mat from them, needle piercing, impregnating with a coke-forming binder, forming a carbon-plastic preform, its carbonization and saturation with pyrocarbon from the gas phase [pat .US 5654059, CL B32B 5/06, publ. 08/05/1997].
Способ позволяет несколько увеличить равномерность свойств по объему материала сравнительно малогабаритных и простых по форме изделий благодаря более мелкопористой структуре армирующего наполнителя и более равномерной пропитке армирующего наполнителя коксообразующим связующим.The method allows to slightly increase the uniformity of properties over the volume of the material of relatively small-sized and simple in form products due to the finer-porous structure of the reinforcing filler and more uniform impregnation of the reinforcing filler with a coke-forming binder.
И тем не менее неравномерность свойств по объему материала изделий сохраняется; прежде всего это относится к толстостенным изделиям. Обусловлено это наличием в структуре сравнительно большого количества не фрагментированных до филаментов углеродных волокон, что закладывается еще на стадии формирования каркаса иглопробивным методом. Ситуация усугубляется, если иглопробиванию подвергается пакет из дискретных по длине углеродных волокон, которые являются отходами при изготовлении каркасов других структур и поэтому имеют крутку, а также наличие на их поверхности аппретов. Вызвано это тем, что наличие крутки волокон и аппретов на их поверхности затрудняет их распад на филаменты в процессе иглопробивания пакета (мата).Nevertheless, the unevenness of properties in terms of the volume of material of the products is maintained; First of all, this applies to thick-walled products. This is due to the presence in the structure of a relatively large number of carbon fibers not fragmented prior to filaments, which is laid even at the stage of the formation of the frame using the needle-punched method. The situation is aggravated if a packet of carbon fibers discrete in length is subjected to needle-piercing, which are wastes in the manufacture of carcasses of other structures and therefore have a twist, as well as the presence of sizing on their surface. This is due to the fact that the presence of twisting of fibers and sizing on their surface makes it difficult for them to disintegrate into filaments in the process of needle-piercing of the packet (mat).
Неравномерность свойств по объему материала обусловлена также тем, что иглопробиванию подвергается пакет (мат) из дискретных по длине волокон, недостаточно равномерно распределенных по объему, а само по себе иглопробивание такого мата не может полностью устранить указанную неравномерность распределения волокон. Это приводит к образованию в каркасе пор, существенно отличающихся по размерам, и чем толще исходный для иглопробивания пакет, тем существеннее это проявляется. Ситуация усугубляется, если формируется каркас крупногабаритного и сложнопрофильного изделия.The unevenness of the properties in terms of the volume of the material is also due to the fact that the packet (mat) of discrete fibers that are not uniformly distributed throughout the volume is subjected to needle-piercing, and needle-piercing of such a mat cannot completely eliminate the indicated uneven distribution of fibers. This leads to the formation of pores in the skeleton that differ significantly in size, and the thicker the initial package for needle punching, the more significant this is. The situation is aggravated if the frame of a large and complex product is formed.
Неравномерность свойств по объему материала обусловлена также образованием поверхностной корочки при насыщении карбонизованного углепластика пироуглеродом вакуумным изотермическим методом, в результате чего глубинные слои материала оказываются недоуплотненными пироуглеродом; кроме того, при иглопробивании пакета (мата) из дискретных углеродных волокон происходит их частичное травмирование из-за большого сопротивления с их стороны прокалыванию.The unevenness of the properties over the volume of the material is also due to the formation of a surface crust when carbonized carbon fiber is saturated with pyrocarbon by the vacuum isothermal method, as a result of which the deep layers of the material are undercondensed with pyrocarbon; In addition, when a packet (mat) of discrete carbon fibers is punched, they are partially injured due to their high resistance to puncturing.
Следствием частичного травмирования углеродных волокон и неполного уплотнения пироуглеродом глубинных слоев материала является снижение его прочностных характеристик.The consequence of partial injury to carbon fibers and incomplete pyrocarbon compaction of the deep layers of the material is a decrease in its strength characteristics.
Еще одним недостатком способа является сложность или даже невозможность его использования при изготовлении крупногабаритных и сложнопрофильных изделий из-за трудности или невозможности формирования каркаса иглопробивной структуры.Another disadvantage of this method is the complexity or even the impossibility of its use in the manufacture of large and complex products due to the difficulty or inability to form a needle-punched structure.
Известен углерод-углеродный композиционный материал (УУКМ), содержащий армирующий наполнитель в виде слоев углеродной ткани, прошитых углеродной нитью, и коксопироуглеродную матрицу [Бутырин Г.М., Колесников С.А. Изменение пористой структуры и свойств композиционного углеродного материала «Граурис» на основных переделах технологии// Новые промышленные технологии. 2011. №6, - с. 42-49].Known carbon-carbon composite material (CCM), containing a reinforcing filler in the form of layers of carbon fabric stitched with a carbon thread, and a carbon-pyrocarbon matrix [Butyrin G.M., Kolesnikov S.A. Change in the porous structure and properties of the composite carbon material “Grauris” at the main stages of technology // New industrial technologies. 2011. No. 6, - p. 42-49].
Недостатком материала является сравнительно высокая неравномерность свойств по его объему, что обусловлено неравномерным распределением кокса из-за неравномерной пропитки армирующего наполнителя объемной структуры коксообразующим связующим. Прежде всего, это относится к сравнительно толстостенным изделиям.The disadvantage of the material is the relatively high non-uniformity of properties over its volume, which is due to the uneven distribution of coke due to the uneven impregnation of the reinforcing filler of the bulk structure with a coke-forming binder. First of all, this applies to relatively thick-walled products.
Наиболее близким к заявляемому материалу по технической сущности и достигаемому эффекту является УУКМ, содержащий армирующий наполнитель иглопробивной структуры из дискретных по длине углеродных волокон, часть из которых фрагментирована по толщине, вплоть до размеров филаментов, и углеродную матрицу [пат.US 5654059, кл. В32В 5/06, опубл. 05.08.1997]. В соответствии с ним углеродная матрица представляет собой кокс или пироуглерод.The closest to the claimed material in terms of technical nature and the achieved effect is UCM containing a reinforcing needle-punched filler of carbon fibers discrete in length, some of which are fragmented by thickness, up to the size of the filaments, and a carbon matrix [US Pat. US 5654059, cl. B32B 5/06, publ. 08/05/1997]. Accordingly, the carbon matrix is coke or pyrocarbon.
Материал имеет более равномерные свойства по его объему благодаря более равномерному распределению в нем компонентов.The material has more uniform properties in its volume due to a more uniform distribution of components in it.
Однако, равномерность свойств УУКМ была бы еще выше, если бы углеродные волокна каркаса были более равномерно распределены по объему материала, а каркас из армирующего наполнителя имел более мелкие и более близкие по размерам поры, и они достаточно полно и равномерно были бы заполнены матричным материалом.However, the uniformity of the CCCM properties would be even higher if the carbon fibers of the carcass were more evenly distributed over the volume of the material, and the carcass of the reinforcing filler had smaller and closer pore sizes, and they would be completely and uniformly filled with matrix material.
Задачей изобретения является повышение равномерности распределения свойств по объему материала изделий, в том числе толстостенных, крупногабаритных и сложнопрофильных, а также повышение уровня прочностных характеристик материала без существенного повышения стоимости изготовления изделий.The objective of the invention is to increase the uniformity of distribution of properties throughout the volume of material of products, including thick-walled, large-sized and complex, as well as increasing the strength characteristics of the material without significantly increasing the cost of manufacturing products.
Изобретения настолько взаимосвязаны, что образуют единый изобретательский замысел. Изобретен новый способ изготовления изделий из УУКМ и новый УУКМ, получаемый новым способом, что свидетельствует о соблюдении требований единства изобретений.Inventions are so interconnected that they form a single inventive concept. Invented a new method of manufacturing products from UUKM and a new UUKM obtained in a new way, which indicates compliance with the requirements of the unity of inventions.
Поставленная задача решается за счет того, что в способе изготовления изделий из УУКМ, включающем разрезку углеродных волокон по длине, формирование из них мата, его иглопробивание, пропитку коксообразующим связующим, формование углепластиковой заготовки, ее карбонизацию и насыщение пироуглеродом из газовой фазы, в соответствии с заявляемым техническим решением, перед формированием мата и его иглопробиванием, нарезанные по длине углеродные волокна подвергают дополнительной фрагментации по толщине, вплоть до образования филаментов, а насыщение пироуглеродом проводят термоградиентным методом.The problem is solved due to the fact that in the method of manufacturing products from CCCM, which includes cutting carbon fibers in length, forming a mat from them, puncturing them, impregnating with a coke-forming binder, forming a carbon-plastic preform, its carbonization and saturation with pyrocarbon from the gas phase, in accordance with by the claimed technical solution, before the mat is formed and punched, the carbon fibers cut along the length are subjected to additional fragmentation in thickness, up to the formation of filaments, and pyrocarbon saturation is carried out by the thermogradient method.
То, что перед формированием мата и его иглопробиванием нарезанные по длине углеродные волокна подвергаются дополнительной фрагментации по толщине, вплоть до образования филаментов, позволяет более равномерно распределить волокна в армирующем наполнителе объемной структуры и уменьшить размеры его пор, выровнять их по величине. В совокупности с пропиткой армирующего наполнителя (каркаса) коксообразующим связующим рассматриваемый признак создает предпосылки для равномерного распределения полимерного связующего в углепластиковой заготовке, а после ее карбонизации - равномерного распределения кокса. В совокупности с формованием углепластиковой заготовки рассматриваемый признак обеспечивает дополнительное уменьшение размеров пор, образованных волокнами, за счет увеличения содержания в материале волокон, обусловленного упрессовкой каркаса. Благодаря малому размеру пор в карбонизованном углепластике и равномерному распределению в них кокса облегчается равномерное заполнение их пироуглеродом.The fact that before the formation of the mat and its needle-punched carbon fibers cut along the length undergo additional fragmentation in thickness, up to the formation of filaments, allows more even distribution of the fibers in the reinforcing filler of the bulk structure and to reduce the size of its pores, to align them in size. Together with the impregnation of the reinforcing filler (frame) with a coke-forming binder, the feature under consideration creates the prerequisites for the uniform distribution of the polymeric binder in the carbon-plastic preform, and after its carbonization, the uniform distribution of coke. In conjunction with the molding of a carbon-fiber preform, the feature under consideration provides an additional reduction in the pore size formed by the fibers due to an increase in the content of fibers in the material due to the pressing of the carcass. Due to the small pore size in the carbonized carbon fiber reinforced plastic and the uniform distribution of coke in them, their uniform filling with pyrocarbon is facilitated.
Проведение операции насыщения карбонизованного углепластика пироуглеродом термоградиентным методом обеспечивает наиболее полное заполнение им (пироуглеродом) пор вне зависимости от толщины заготовки и как следствие - равномерное распределение пироуглерода по объему материала. Кроме того, сокращается цикл и затраты на операцию насыщения пироуглеродом, т.к. в сравнении с изотермическим методом термоградиентный метод является менее длительным и энергоемким. Тем самым компенсируются затраты связанные с операцией предварительной (перед формированием мата) фрагментации углеродных волокон по толщине.Carrying out the operation of saturation of carbonized carbon fiber with pyrocarbon by the thermogradient method ensures the most complete filling of pores with it (pyrocarbon), regardless of the thickness of the preform, and as a result, uniform distribution of pyrocarbon throughout the volume of material. In addition, the cycle and costs of the operation of saturation with pyrocarbon are reduced, because in comparison with the isothermal method, the thermogradient method is less durable and energy intensive. This compensates for the costs associated with the operation of preliminary (before the formation of the mat) fragmentation of carbon fibers in thickness.
В новой совокупности существенных признаков у объекта изобретения появляется новое свойство: способность обеспечить в материале даже толстостенных, крупногабаритных и сложнопрофильных изделий равномерное распределение компонентов, а также наиболее полное заполнение пор армирующего наполнителя коксопироуглеродной матрицей и при этом компенсировать затраты на операцию фрагментирования волокон по толщине за счет снижения затрат на насыщение заготовки пироуглеродом.In the new set of essential features, the object of the invention has a new property: the ability to ensure even distribution of components in the material, even thick-walled, large-sized and complex products, as well as the most complete filling of the pores of the reinforcing filler with a carbon-pyrocarbon matrix and at the same time compensate for the cost of the operation of fiber fragmentation by thickness due to reduce the cost of saturation of the workpiece with pyrocarbon.
Благодаря новому свойству решается поставленная задача, а именно: повышается равномерность свойств по объему материала изделий, в том числе толстостенных, крупногабаритных и сложнопрофильных, а также повышается уровень прочностных характеристик материала изделий без существенного увеличения затрат на их изготовление.Thanks to the new property, the task is solved, namely: the uniformity of properties in terms of volume of the material of products, including thick-walled, large-sized and complex profiles, is increased, as well as the level of strength characteristics of the material of products increases without significantly increasing the cost of their manufacture.
Поставленная задача решается также за счет того, что УУКМ, содержащий армирующий наполнитель иглопробивной структуры из дискретных по длине углеродных волокон, часть из которых фрагментирована по толщине, вплоть до размеров филаментов, и углеродную матрицу, в соответствии с заявляемым техническим решением он получен заявляемым способом и в нем большая часть волокон представляет собой фрагментированные, вплоть до филаментов волокна, а углеродная матрица выполнена коксопироуглеродной, в которой пироуглерод равномерно распределен по объему материала.The problem is also solved due to the fact that the UCM containing reinforcing filler needle-punched structure of discrete in length carbon fibers, some of which are fragmented by thickness, up to the size of the filaments, and a carbon matrix, in accordance with the claimed technical solution, it was obtained by the claimed method and in it, most of the fibers are fragmented fibers, up to filaments, and the carbon matrix is made of carbon-pyrocarbon, in which pyrocarbon is evenly distributed over the removal of material.
Получение УУКМ заявляемым способом и выполнение в нем армирующего наполнителя из иглопробивного материала на основе дискретных по длине углеродных волокон, большая часть которых представляет собой фрагментированные, вплоть до филаментов волокна, позволяет достаточно равномерно распределить углеродные волокна по объему материала, а также уменьшить размеры заполняемых матричным материалом пор, выровнять их, к тому же, по величине. В свою очередь это обеспечивает равномерное по объему материала и более полное заполнение пор коксом и создает предпосылки для равномерного и более полного заполнения пор пироуглеродом (в сравнении с чисто коксовой матрицей) или позволяет уменьшить размеры пор УУКМ (в сравнении с чисто пироуглеродной матрицей).Obtaining CCCM by the claimed method and making a reinforcing filler therefrom from needle-punched material based on carbon fibers discrete in length, most of which are fragmented fibers, up to filaments, allows fairly uniform distribution of carbon fibers throughout the volume of the material, as well as reducing the size of the matrix material filled then align them, in addition, in size. In turn, this ensures a uniform pore filling of the pores with coke and creates the prerequisites for a uniform and more complete filling of pores with pyrocarbon (in comparison with a purely coke matrix) or allows one to reduce the pore size of a CCM (in comparison with a pure pyrocarbon matrix).
Выполнение углеродной матрицы в виде коксопироуглеродной, с одной стороны, обеспечивает возможность увеличения содержания армирующего наполнителя наиболее простым способом, с другой стороны, позволяет минимизировать количество операций при формировании матрицы за счет частичной замены операции пропитки коксообразующим связующим и карбонизации на насыщение пироуглеродом.The execution of a carbon matrix in the form of carbon-pyrocarbon, on the one hand, makes it possible to increase the content of the reinforcing filler in the simplest way, on the other hand, it allows minimizing the number of operations during matrix formation by partially replacing the impregnation operation with a coke-forming binder and carbonization with pyrocarbon saturation.
Равномерное по объему материала распределение пироуглерода в коксопироуглеродной матрице завершает процесс равномерного распределения компонентов по объему материала заготовки.The distribution of pyrocarbon uniform in the volume of material in the coke-pyrocarbon matrix completes the process of uniform distribution of components over the volume of the workpiece material.
В новой совокупности существенных признаков у объекта изобретения появляется новое свойство: равномерное распределение компонентов материала по его объему и достаточно высокая плотность при достаточно высоком содержании армирующего наполнителя.In the new set of essential features, the object of the invention has a new property: a uniform distribution of the components of the material over its volume and a sufficiently high density with a sufficiently high content of reinforcing filler.
Благодаря новому свойству решается поставленная задача, а именно: повышается равномерность свойств по объему материала изделий, в том числе толстостенных, а также повышается уровень прочностных характеристик материала изделий и создаются предпосылки для получения его без усложнения технологии.Thanks to the new property, the task is solved, namely: the uniformity of properties in terms of the volume of material of products, including thick-walled ones, is increased, as well as the level of strength characteristics of the material of products is increased and prerequisites are created for obtaining it without complicating the technology.
Заявленный УУКМ содержит армирующий наполнитель в виде дискретных по длине углеродных волокон и углеродную матрицу.The claimed CCM contains a reinforcing filler in the form of carbon fibers discrete in length and a carbon matrix.
Армирующий наполнитель выполнен иглопробивной структуры из дискретных по длине углеродных волокон. Большая часть углеродных волокон представляет собой фрагментированные, вплоть до филаментов, волокна (о высокой степени фрагментации углеродных волокон по толщине свидетельствуют результаты микроструктурных исследований, приведенные на рис. 1-3).Углеродная матрица в УУКМ выполнена коксопироуглеродной. Пироуглерод в коксопироуглеродной матрице равномерно распределен по объему материала. УУКМ получен ниже описанным способом.The reinforcing filler is made of needle-punched structure of carbon fibers discrete in length. Most of the carbon fibers are fragmented, up to filaments, fibers (the results of microstructural studies shown in Figs. 1-3 show a high degree of fragmentation of carbon fibers in thickness). The carbon matrix in CCM is made of carbon-pyrocarbon. Pyrocarbon in a coke pyrocarbon matrix is uniformly distributed over the volume of the material. CCM obtained below as described.
Способ включает разрезку углеродных волокон по длине, формирование из них мата, его иглопробивание, пропитку коксообразующим связующим, формирование углепластиковой заготовки, ее карбонизацию и насыщение пироуглеродом из газовой фазы. Причем перед формированием мата и его иглопробиванием нарезанные по длине углеродные волокна подвергают дополнительной фрагментации по толщине, вплоть до образования филаментов, а насыщение пироуглеродом проводят термоградиентным методом.The method includes cutting carbon fibers in length, forming a mat from them, needle-puncturing them, impregnating with a coke-forming binder, forming a carbon-plastic preform, carbonizing it, and saturation with pyrocarbon from the gas phase. Moreover, before the formation of the mat and its needling, the carbon fibers cut along the length are subjected to additional fragmentation in thickness, up to the formation of filaments, and pyrocarbon is saturated using the thermogradient method.
Способ изготовления изделий из заявляемого УУКМ с указанием его основных свойств, свидетельствующих об их равномерности по объему материала, поясняется примерами конкретного выполнения.A method of manufacturing products from the claimed UUKM with an indication of its basic properties, indicating their uniformity in volume of material, is illustrated by examples of specific performance.
Во всех примерах изготавливаемое изделие представляло собой пластину размером 150×200×30 мм.In all examples, the manufactured product was a plate measuring 150 × 200 × 30 mm.
Пример 1.Example 1
Наработали иглопробивной материал (ИПМ) на основе дискретных по длине и фрагментированных по толщине, вплоть до филаментов, высокомодульных углеродных волокон марки УКН-5000. Плотность его составила ~0,15 г/см3, а толщина 140 мм. Наработку произвели на специально разработанной конвейерной линии, включающей чесальную машину, перфорированный находящийся под разряжением барабан для формирования на нем полотна из фрагментированных по толщине и дискретных по длине углеродных волокон, приемный барабан и иглопробивной механизм. Из полотен путем выкладки на основании иглопробивного механизма сформировали мат, который подвергли иглопробиванию. Иглопробивной материал пропитали коксообразующим связующим, в качестве которого использовали раствор жидкого бакелита марки БЖ-3 в изопропиловом спирте условной вязкости ~60 сек. Затем сформовали углепластиковую заготовку под давлением 6 кгс/см2 при конечной температуре 160°С. В результате упрессовки ИПМ толщина углепластиковой заготовки составила ~30 мм. Углепластиковую заготовку карбонизовали в среде азота при конечной температуре 850°С. Затем заготовку из карбонизованного пластика насытили пироуглеродом термоградиентным методом при передвижении зоны пиролиза с температурой в зоне 940-980°С со скоростью 0,25 мм/ч. Основные свойства УУКМ на переделах приведены в таблице.Needle-punched material (IPM) was developed based on discrete in length and fragmented in thickness, up to filaments, high-modulus carbon fibers of the UKN-5000 brand. Its density was ~ 0.15 g / cm 3 and the thickness was 140 mm. They worked on a specially designed conveyor line, including a carding machine, a perforated drum under discharge to form canvases on it of carbon fibers fragmented in thickness and discrete in length, a receiving drum and needle-punched mechanism. From the paintings by laying on the basis of the needle-punched mechanism, a mat was formed, which was subjected to needle-piercing. The needle-punched material was impregnated with a coke-forming binder, which was used as a solution of liquid bakelite grade BZH-3 in isopropyl alcohol of nominal viscosity ~ 60 sec. Then formed a carbon fiber preform under a pressure of 6 kgf / cm 2 at a final temperature of 160 ° C. As a result of the IPM pressing, the thickness of the carbon fiber billet was ~ 30 mm. The carbon fiber preform was carbonized in a nitrogen atmosphere at a final temperature of 850 ° C. Then, the carbonized plastic preform was saturated with pyrocarbon using a thermogradient method while moving the pyrolysis zone with a temperature in the zone of 940-980 ° C at a speed of 0.25 mm / h. The main properties of UUKM in the redistribution are given in the table.
Пример 2.Example 2
Изделие изготовили аналогично примеру 1 с тем существенным отличием, что иглопробивной материал наработали из низкомодульных углеродных волокон марки УРАЛ. Основные свойства полученного УУКМ приведены в таблице.The product was made analogously to example 1 with the significant difference that the needle-punched material was produced from low-modulus carbon fibers of the URAL brand. The main properties of the obtained CCM are shown in the table.
На основе данных таблицы можно сделать следующий вывод:Based on the table data, we can draw the following conclusion:
Изготовление изделий заявленным способом позволяет обеспечить равномерность физико-химических свойств в объеме материала толстостенного изделия. В свою очередь достаточно высокая равномерность плотности материала по толщине изделия свидетельствует о достаточно равномерном распределении в нем пироуглерода.The manufacture of products by the claimed method allows to ensure uniform physical and chemical properties in the volume of material of a thick-walled product. In turn, a sufficiently high uniformity of the density of the material over the thickness of the product indicates a fairly uniform distribution of pyrocarbon in it.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016135476A RU2667403C2 (en) | 2016-08-31 | 2016-08-31 | Carbon-carbon composite material and method for manufacturing articles therefrom |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016135476A RU2667403C2 (en) | 2016-08-31 | 2016-08-31 | Carbon-carbon composite material and method for manufacturing articles therefrom |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2016135476A3 RU2016135476A3 (en) | 2018-03-01 |
| RU2016135476A RU2016135476A (en) | 2018-03-01 |
| RU2667403C2 true RU2667403C2 (en) | 2018-09-19 |
Family
ID=61597078
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2016135476A RU2667403C2 (en) | 2016-08-31 | 2016-08-31 | Carbon-carbon composite material and method for manufacturing articles therefrom |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2667403C2 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2781577C1 (en) * | 2021-12-30 | 2022-10-14 | Акционерное общество "Уральский научно-исследовательский институт композиционных материалов" | Braking device and method for manufacturing its elements |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB1447029A (en) * | 1972-07-21 | 1976-08-25 | Hyfil Ltd | Carbon fibre composite |
| US5654059A (en) * | 1994-08-05 | 1997-08-05 | Amoco Corporation | Fiber-reinforced carbon and graphite articles and method for the production thereof |
| RU2194057C2 (en) * | 2001-02-12 | 2002-12-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Термар" | Method of manufacturing frictional product |
| RU2347009C2 (en) * | 2003-04-28 | 2009-02-20 | Мессье-Бугатти | Method for control and simulation of gas phase chemical infiltration for carbon compaction of porous substrates |
| RU2502707C2 (en) * | 2008-07-17 | 2013-12-27 | Снекма Пропюльсьон Солид | Method of producing nozzle or nozzle diffuser from composite material |
-
2016
- 2016-08-31 RU RU2016135476A patent/RU2667403C2/en not_active Application Discontinuation
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB1447029A (en) * | 1972-07-21 | 1976-08-25 | Hyfil Ltd | Carbon fibre composite |
| US5654059A (en) * | 1994-08-05 | 1997-08-05 | Amoco Corporation | Fiber-reinforced carbon and graphite articles and method for the production thereof |
| RU2194057C2 (en) * | 2001-02-12 | 2002-12-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Термар" | Method of manufacturing frictional product |
| RU2347009C2 (en) * | 2003-04-28 | 2009-02-20 | Мессье-Бугатти | Method for control and simulation of gas phase chemical infiltration for carbon compaction of porous substrates |
| RU2502707C2 (en) * | 2008-07-17 | 2013-12-27 | Снекма Пропюльсьон Солид | Method of producing nozzle or nozzle diffuser from composite material |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2781577C1 (en) * | 2021-12-30 | 2022-10-14 | Акционерное общество "Уральский научно-исследовательский институт композиционных материалов" | Braking device and method for manufacturing its elements |
| RU2830509C1 (en) * | 2023-12-19 | 2024-11-21 | Акционерное общество "Уральский научно-исследовательский институт композиционных материалов" | Carbon-carbon composite material and method of its production |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2016135476A3 (en) | 2018-03-01 |
| RU2016135476A (en) | 2018-03-01 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US5599603A (en) | Manufacture of carbon fibre preform | |
| EP2993016B1 (en) | Sacrificial fibers to create channels in a composite material | |
| KR100413917B1 (en) | Method of manufacturing carbon-carbon composite parts, especially brake discs | |
| US6105223A (en) | Simplified process for making thick fibrous structures | |
| US5556704A (en) | Carbon fiber-reinforced carbon composite material | |
| US6361722B1 (en) | Methods of producing carbon-carbon parts having filamentized composite fiber substrates | |
| CN87102407A (en) | Fiber-reinforced composite material and method for producing same | |
| RU2010150685A (en) | METHOD FOR PRODUCING FRICTION DETAILS BASED ON CARBON-CARBON COMPOSITE MATERIAL | |
| CN107245810A (en) | Carbon fiber long fiber reinforced PEEK-based composites and preparation method thereof | |
| CN103938369A (en) | Fiber web reinforcing device | |
| RU2667403C2 (en) | Carbon-carbon composite material and method for manufacturing articles therefrom | |
| CA2930298C (en) | Continuous fiber brake rotor preform and apparatuses and methods for manufacturing same | |
| RU2017110154A (en) | METHOD FOR PRODUCING A TWO-LAYER THERMO-STRUCTURAL MONOLITHIC COMPOSITION PART AND PRODUCTION PART | |
| Shadhin | Comparative evaluation of flax, cattail, and hemp fiber composites | |
| CN108162436A (en) | The processing method of glass chopped Nomex | |
| RU2830509C1 (en) | Carbon-carbon composite material and method of its production | |
| CN103924380B (en) | Preparation method of polyhydroxybutyrate valeric acid copolyester composite material | |
| CN103937180B (en) | The preparation method of biodegradable bamboo fiber reinforced composite | |
| RU2593508C1 (en) | Method of making thin-walled articles from composite material based on carbon-ceramic matrix with gradient thickness properties | |
| RU2819235C1 (en) | Method of making articles from carbon-silicon carbide composite material, including with thickness gradient properties | |
| RU2678288C1 (en) | Fiber material of bulk structure from discrete fragmented carbon fibers, method of its manufacture and device for method implementation | |
| JP2906484B2 (en) | Carbon fiber reinforced carbon composite and method for producing the same | |
| RU2816147C1 (en) | Composition and method of making articles based on it from polymer composite material reinforced with mineral fibres, a plate made using this method, and device for making said composition | |
| RU2784696C1 (en) | Brake apparatus made of a composite material and method for manufacturing the elements thereof by siliconising a carbon-containing material | |
| DE202009000573U1 (en) | Carbonized surface and carbon fiber reinforced plastic |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| FA92 | Acknowledgement of application withdrawn (lack of supplementary materials submitted) |
Effective date: 20180312 |
|
| FZ9A | Application not withdrawn (correction of the notice of withdrawal) |
Effective date: 20180716 |