Патент на изобретение №2213047
|
||||||||||||||||||||||||||
(54) УГЛЕРОДНЫЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ ТОЛСТОСТЕННЫХ ИЗДЕЛИЙ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
(57) Реферат: Изобретение предназначено для химической промышленности и может быть использовано при получении изделий, работающих в высокоскоростных газовых и жидкостных потоках и химически агрессивных средах. Формируют каркас объемной структуры из углеродных волокон с различным межцентровым расстоянием между ними. В сформированный каркас, содержащий 10-29% углеродных волокон от объема композиционного материала, вводят мелкодисперсный углеродный наполнитель в количестве 96-360% от объема углеродных волокон. Наполнитель можно вводить путем засыпки порошков или пропитки суспензиями порошков в легколетучей жидкости под давлением и/или с приложением ультразвука. После этого проводят насыщение каркаса пироуглеродом термоградиентным методом при избыточном давлении метана 0,025-0,03 кгс/см2 с передвижением зоны пиролиза со скоростью 0,1-0,5 мм/ч по толщине каркаса при температуре в зоне пиролиза 840-950oС. Полученный композиционный материал содержит мелкодисперсный углеродный наполнитель в количестве 24-36 об.%, пироуглеродную матрицу в количестве не менее 31 об.% и содержит поры в количестве не более 19 об.%. Суммарное содержание углеродных волокон и мелкодисперсного углеродного наполнителя не менее 46% от объема композиционного материала. Полученный материал имеет плотность 1,50-1,82 г/см3. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 3 табл. Изобретения относятся к изделиям и изготовлению изделий из углеродного композиционного материала (УКМ) с пониженной проницаемостью и могут быть использованы в изделиях, работающих в высокоскоростных газовых и жидкостных потоках и химически агрессивных средах. Известен УКМ, включающий каркас структуры 2d из углеродных волокон и пироуглеродную матрицу (Технология и проектирование углерод-углеродных композитов и конструкций. М., 1996, с.19, 20). Недостатком материала является низкая межслоевая прочность, что приводит к расслоению изделий при их эксплуатации. Известен УКМ, включающий каркас объемной структуры из углеродных волокон и пироуглеродную матрицу при следующем соотношении компонентов, об.%: Углеродные волокна – 10-55 Пироуглеродная матрица – 45-90 (Технология и проектирование углерод-углеродных композитов и конструкций. М., 1996, с.16-19). Ориентация углеродных волокон в УКМ более чем в 2-х направлениях (что обеспечивается объемной структурой каркаса) позволяет существенно повысить их межслоевую прочность и благодаря отсутствию в материале неармированных плоскостей исключить расслоение изделий. Недостатком материала является наличие в нем закрытых пор сравнительно больших размеров (в сотни и тысячи ![]() Углеродное волокно – 10-29 Мелкодисперсный углеродный наполнитель – 24-36 Пироуглеродная матрица – Не менее 31 Поры – Остальное причем содержание мелкодисперсного углеродного наполнителя составляет 96-360% от объема углеродных волокон, при суммарном содержании углеродных волокон и мелкодисперсного углеродного наполнителя не менее 46% от объема углеродного композиционного материала, при этом углеродный композиционный материал обладает плотностью 1,50-1,82 г/см3. Кроме того, каркас объемной структуры может содержать углеродные волокна с межцентровым расстоянием между ними 2,5-4,5 мм, или 2,0-3,5 мм, или 1,5-3,0 мм, или 0,8-3,0 мм и мелкодисперсный углеродный наполнитель с размерами частиц не более 63 мкм, 40 мкм, 10 мкм и 2 мкм соответственно. Кроме того, каркас объемной структуры может содержать углеродные волокна с изменяющимся по толщине и/или высоте каркаса от 0,8 до 4,5 мм межцентровым расстоянием между углеродными волокнами. Наличие в структуре УКМ мелкодисперсного углеродного наполнителя при заявляемых содержании компонентов и соотношении между углеродными волокнами и мелкодисперсным углеродным наполнителем позволяет существенно уменьшить размеры пор материала и тем самым снизить его проницаемость и повысить его химическую стойкость. Кроме того, за счет уменьшения расхода дорогостоящих углеродных волокон снижается стоимость изготовления изделий из этого материала. При этом основные прочностные характеристики УКМ сохраняются или незначительно уменьшаются. При содержании в УКМ углеродных волокон менее 10 об.% и содержании пироуглеродной матрицы менее 31 об.% из-за дефицита высокопрочного волокнистого наполнителя или матрицы существенно (резко) снижаются прочностные характеристики материала. При содержании мелкодисперсного углеродного наполнителя менее 24 об.% и менее 96% его содержания от объема углеродных волокон не достигается эффект существенного уменьшения размера пор в материале, что приводит к повышению его проницаемости и снижению химической стойкости. При содержании в УКМ мелкодисперсного углеродного наполнителя более 36 об.% и более 360% его содержания от объема углеродных волокон, при суммарном содержании углеродных волокон и мелкодисперсного углеродного наполнителя не менее 46% от объема углеродного композиционного материала из-за дефицита более прочных по сравнению с мелкодисперсным углеродным наполнителем углеродных волокон существенно снижаются прочностные характеристики материала. При содержании в УКМ углеродных волокон более 29 об.% необоснованно увеличивается их расход, что при более высокой их стоимости в сравнении с мелкодисперсным углеродным наполнителем приводит к удорожанию продукции. Наличие в УКМ, армированном каркасом из углеродных волокон с межцентровым расстоянием между ними 2,5-4,5, или 2,0-3,5, или 1,5-3,0, или 0,8-3,0 мм, мелкодисперсного углеродного наполнителя с размером частиц соответственно не более 63, 40, 10 и 2 мкм позволяет достаточно равномерно распределить в материале пироуглеродную матрицу и тем самым обеспечить большую реализацию в нем прочностных характеристик волокнистого и дисперсного наполнителей. Наличие в УКМ мелкодисперсного углеродного наполнителя с размерами частиц более 63 мкм приводит к ухудшению равномерности его распределения по объему материала, а также к увеличению размеров пор. Выполнение каркаса объемной структуры из углеродных волокон с изменяющимся по его толщине и/или высоте от 0,8 до 4,5 мм межцентровым расстоянием между углеродными волокнами позволяет за счет введения в него мелкодисперсного углеродного наполнителя с различным его содержанием придать материалу изделия различные по его толщине и/или высоте свойства, а именно рабочей поверхности изделия – минимальную пористость за счет большего содержания в ней мелкодисперсного углеродного наполнителя; несущему слою изделия – максимальную прочность за счет обеспечения большего содержания в нем прочных углеродных волокон. Заявляемый материал не может быть получен известными способами. Известен способ изготовления толстостенных изделий из УКМ, включающий формирование каркаса объемной структуры из углеродных волокон с различным межцентровым расстоянием между ними и насыщение его пироуглеродом термоградиентным методом при избыточном давлении метана 0,025-0,03 кгс/см2 (Технология и проектирование углерод-углеродных композитов и конструкций. М. , 1996, с.34-35). Недостатком способа является то, что он не исключает образование в материале изделия закрытых пор сравнительно больших размеров (в сотни и тысячи ![]() а) по содержанию мелкодисперсного углеродного наполнителя в УКМ или его содержанию по отношению к объему углеродных волокон: – на уровне нижнего предела – 4, 5, 16, 17, 24; – на уровне верхнего предела – 4, 5; б) по содержанию углеродных волокон в УКМ: – на уровне нижнего предела – 4, 5; – на уровне верхнего предела – 16, 17; в) по суммарному содержанию углеродных волокон и мелкодисперсного углеродного наполнителя: – на уровне нижнего предела – 4, 5, 7а, 7б, 7в, 8; г) по содержанию пироуглеродной матрицы в УКМ: – на уровне нижнего предела – 14, 17. Запредельными являются а) по содержанию мелкодисперсного углеродного наполнителя в УКМ или его содержанию по отношению от объема углеродных волокон: – на уровне ниже нижнего предела – 18, 24; – на уровне выше верхнего предела – 1, 2, 3; б) по содержанию углеродных волокон в УКМ: – на уровне ниже нижнего предела – 1, 2, 3; – на уровне выше верхнего предела – 19, 20, 21; в) по содержанию пироуглеродной матрицы в УКМ: – на уровне ниже нижнего предела – 12, 18; г) по плотности УКМ: – на уровне ниже нижнего предела – 6, 9, 12, 15, 18. Примеры 26, 27, 28 соответствуют материалу прототипа. В табл.1 приведены физико-механические характеристики УКМ различного состава, а именно ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() 1) наличие в УКМ мелкодисперсного углеродного наполнителя позволяет за счет уменьшения размеров его пор и размеров пироуглеродных зерен уменьшить его газопроницаемость, а в ряде случае – увеличить прочность; 2) при содержании мелкодисперсного углеродного наполнителя менее 24 об.% или его содержания менее 96% от объема углеродных волокон или при суммарном содержании углеродных волокон и мелкодисперсного углеродного наполнителя менее 46% от объема УКМ получают материал со сравнительно большими размерами пор и большой открытой пористостью, что приводит к увеличению газопроницаемости; 3) при содержании мелкодисперсного углеродного наполнителя более 36 об.% или его содержании более 360% от объема углеродных волокон уменьшается содержание последних в УКМ, что приводит к существенному снижению его прочностных характеристик до уровня, недопустимого для конструкционных материалов (сравни примеры 1 и 4, 1 и 7 и др.); 4) при содержании пироуглеродной матрицы менее 31% от объема УКМ снижаются его прочностные характеристики до уровня абсолютного недопустимого для конструкционных материалов (сравни примеры 17 и 18, 14 и 15 и др.). Из анализа табл.2 “Параметры процесса изготовления толстостенных изделий из УКМ” (с привлечением результатов исследования ФМХ УКМ, приведенных в табл. 1, а также результатов исследований распределения плотности материала по толщине (радиусу) заготовки от внутренней поверхности к наружной, приведенных в табл.3) следует: 1) введение в каркас из углеродных волокон, взятых в заявляемых пределах, мелкодисперсного углеродного наполнителя при его содержании в заявляемых пределах и по отношению его содержания от объема углеродных волокон в заявляемых пределах, а также при суммарном содержании его и углеродных волокон в заявляемых пределах с последующим насыщением каркаса пироуглеродом в соответствии с заявляемыми параметрами позволяет: а) получить УКМ мелкопористой структуры, что придает ему пониженную газопроницаемость при сохранении на допустимом (для конструкционных материалов) уровне прочности в толстостенных изделиях; б) уменьшить в сравнении с прототипом энергозатраты на процесс насыщения за счет снижения температуры, при которой проводится процесс; 2) любое отклонение от заявляемых пределов не позволяет получить УКМ с оговоренными выше свойствами. Так, проведение процесса насыщения пироуглеродом при температуре выше или ниже, а скорости передвижения зоны пиролиза выше заявляемых пределов приводит к существенному снижению содержания пироуглерода в УКМ, а также к его неравномерному распределению по толщине заготовки и, как следствие, к повышению газопроницаемости и снижению плотности и прочности материала до недопустимого уровня. Рассмотрим это более детально. Из анализа примеров 1-6 табл.3 следует, что проведение процесса насыщения каркасов пироуглеродом при температуре в зоне пиролиза менее 840oС приведет к существенному снижению содержания пироуглерода в материале (и его плотности) в наружных слоях заготовки. Из анализа примеров 14-19 табл.3 следует, что проведение процесса насыщения при температуре в зоне пиролиза более 950oС приводит к существенному снижению содержания пироуглерода в материале (и его плотности) во внутренних слоях заготовки. Из анализа примеров 5-17 следует, что проведение процесса насыщения пироуглеродом при скорости передвижения зоны пиролиза более 0,5 мм/час приводит к существенному снижению общего содержания пироуглерода в материале (и его плотности). Проведение процесса насыщения при скорости передвижения зоны пиролиза менее 0,1 мм/час нецелесообразно, так как приводит к необоснованному его удлинению. Что касается отклонения от параметров процесса изготовления каркаса, то последствия этого рассмотрены выше при анализе табл.1. Формула изобретения 1. Углеродный композиционный материал для толстостенных изделий, содержащий каркас объемной структуры из углеродных волокон и пироуглеродную матрицу, отличающийся тем, что он дополнительно содержит мелкодисперсный углеродный наполнитель при следующем содержании компонентов, об. %: Углеродное волокно – 10-29 Мелкодисперсный углеродный наполнитель – 24-36 Пироуглеродная матрица – Не менее 31 причем содержание мелкодисперсного углеродного наполнителя составляет 96-360% от объема углеродных волокон, при суммарном содержании углеродных волокон и мелкодисперсного углеродного наполнителя не менее 46% от объема углеродного композиционного материала, при этом углеродный композиционный материал обладает плотностью 1,50-1,82 г/см3 и содержит поры в количестве не более 19 об. % от объема углеродного композиционного материала, при этом каркас объемной структуры содержит углеродные волокна с различным межцентровым расстоянием между ними. 2. Углеродный композиционный материал по п. 1, отличающийся тем, что каркас объемной структуры содержит углеродные волокна с межцентровым расстоянием между ними 2,5-4,5, или 2,0-3,5, или 1,5-3,0, или 0,8-3,0 мм и мелкодисперсный углеродный наполнитель с размерами частиц не более 63, 40, 10 и 2 мкм соответственно. 3. Углеродный композиционный материал по п. 1 или 2, отличающийся тем, что каркас объемной структуры содержит углеродные волокна с изменяющимся по толщине и/или высоте каркаса от 0,8 до 4,5 мм межцентровым расстоянием между углеродными волокнами. 4. Способ изготовления углеродного композиционного материала для толстостенных изделий, включающий формирование каркаса объемной структуры из углеродных волокон и насыщение его пироуглеродом термоградиентным методом при избыточном давлении метана 0,025-0,03 кгс/см2 с передвижением зоны пиролиза по толщине каркаса, отличающийся тем, что каркас объемной структуры формируют с различным межцентровым расстоянием между углеродными волокнами, перед насыщением каркаса пироуглеродом в каркас объемной структуры из углеродных волокон, взятых в количестве 10-29% от объема углеродного композиционного материала, вводят мелкодисперсный углеродный наполнитель в количестве 96-360% от объема углеродных волокон, а насыщение пироуглеродом проводят при температуре в зоне пиролиза 840-950oС и скорости передвижения зоны пиролиза 0,1-0,5 мм/ч. 5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что в каркас объемной структуры мелкодисперсный углеродный наполнитель вводят путем засыпки порошков или путем пропитки суспензиями порошков в легколетучей жидкости под давлением и/или с приложением ультразвука. РИСУНКИ
RH4A – Выдача дубликата патента Российской Федерации на изобретение
Дата выдачи дубликата: 20.10.2006
Наименование лица, которому выдан дубликат:
Извещение опубликовано: 10.12.2006 БИ: 34/2006
PC4A – Регистрация договора об уступке патента Российской Федерации на изобретение
(73) Патентообладатель(и):
(73) Патентообладатель:
Дата и номер государственной регистрации перехода исключительного права: 24.01.2007 № РД0017121
Извещение опубликовано: 20.03.2007 БИ: 08/2007
MM4A – Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе
Дата прекращения действия патента: 07.07.2007
Извещение опубликовано: 10.11.2008 БИ: 31/2008
|
||||||||||||||||||||||||||