ES2635193T3

ES2635193T3 - Procedimiento de revestimiento con una capa protectora contra la oxidación para un carbono/material compuesto de carbono, calentador de carbono y cocina

Info

Publication number: ES2635193T3
Application number: ES11763062.4T
Authority: ES
Inventors: Youngjun Lee; Kabseung Yang; Jeonghyun Yoon; Changhyo Kim; Sooyeon Kim; Seongho Cho; Bohye Kim
Original assignee: LG Electronics Inc
Current assignee: LG Electronics Inc
Priority date: 2010-03-31
Filing date: 2011-03-31
Publication date: 2017-10-02
Anticipated expiration: 2031-03-31
Also published as: WO2011122890A3; WO2011122890A2; EP2552858A2; EP2552858A4; KR20110109697A; US9259760B2; KR101810238B1; US20130075387A1; EP2552858B1

Abstract

Un procedimiento de revestimiento con una capa protectora contra la oxidación para un carbono/material compuesto de carbono, que comprende: disolver una resina polimérica en un disolvente para formar una solución de resina polimérica; dispersar polvos cerámicos en la solución de resina polimérica para formar una solución mixta; depositar como revestimiento la solución mixta sobre una fibra de carbono; efectuar un primer tratamiento térmico para tratar la fibra de carbono mediante calentamiento al aire; y efectuar un segundo tratamiento térmico para tratar la fibra de carbono mediante calentamiento en atmósfera de gas inerte, caracterizado porque la resina polimérica es poliacrilonitrilo, el polvo cerámico se selecciona entre el grupo que consiste en carburo de silicio (SiC), nitruro de silicio (Si3N4), y carburo de titanio (TiC), en el que la resina polimérica se disuelve en una proporción de un 5 a un 10 % en peso, en el que los polvos cerámicos se dispersan en una proporción de 1:0,5 a 1:2 en peso con respecto a la resina polimérica.

Description

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DESCRIPCION

Procedimiento de revestimiento con una capa protectora contra la oxidacion para un carbono/material compuesto de carbono, calentador de carbono y cocina

Campo tecnico

La presente divulgacion se refiere a un carbono/material compuesto de carbono y, mas en particular, a un procedimiento de revestimiento con una capa protectora contra la oxidacion para el carbono/material compuesto de carbono, y a un calentador de carbono preparado de este modo.

Antecedentes de la invencion

Las fibras de carbono (CF) son materiales que comprenden un 92 % o mas de carbono, y que tienen elevados valores de conductividad termica, resistencia espedfica y elasticidad, y bajos valores de modulo de elasticidad, coeficiente de dilatacion termica y densidad. Asimismo, las fibras son materiales adecuados para su uso en una estructura de temperatura elevada debido a su procesabilidad relativamente buena y, en particular, esta aumentando el interes por las fibras de carbono como material de refuerzo para materiales compuestos de alta tecnologfa con una elevada procesabilidad. Ademas, las fibras de carbono son altamente resistentes a los choques termicos y, por tanto, se han usado extensamente en diversos campos de la industria como materiales para una estructura de temperatura ultra-elevada tales como materiales de friccion para aeronaves, partes delanteras del fuselaje para lanzaderas espaciales, materiales termorresistentes para reactores nucleares, y toberas para cohetes, los cuales absorben una gran cantidad de calor en un tiempo muy corto.

Sin embargo, si bien las fibras de carbono (CF) tienen propiedades de ingeniena favorables, la superficie de las fibras de carbono se oxida al reaccionar con el oxfgeno cuando se expone al aire a una temperatura de 500 °C o superior, o se generan gases tales como CO o CO2, dando como resultado una erosion (ablacion) del material. Asf pues, las fibras de carbono puro no son adecuadas para su uso en estas aplicaciones. Esto es, tal como se muestra en la Fig. 1, cuando las fibras de carbono se tratan mediante calentamiento (1000 °C) al aire, se forman poros sobre la superficie de las fibras de carbono al generarse CO o CO2, dando como resultado una erosion (ablacion) del material. Asf pues, las fibras de carbono puro no son adecuadas para su uso en estas aplicaciones. Esto es, tal como se muestra en la Fig. 1, cuando las fibras de carbono se tratan mediante calentamiento (1000 °C) al aire, se forman poros sobre la superficie de las fibras de carbono debido al CO o CO2, ya que se oxidan al reaccionar con el oxfgeno a alta temperatura. Ademas, una reduccion del peso y la resistencia de las fibras de carbono de este modo pueden limitar las aplicaciones de las mismas. Entonces, cuando una fibra de carbono que tiene una superficie inestable se expone a una temperatura ultra-elevada de 2000 °C o superior, las porciones atenuadas por la oxidacion son cortadas por conduccion termica, lo cual de denomina "ablacion". Por tanto, la superficie y la estructura de las fibras de carbono, asf como las propiedades intrmsecas de las mismas, se deben proteger de una atmosfera de oxfgeno.

Tal como se ha descrito anteriormente, para usar fibras de carbono a una temperatura elevada, se han de separar de una atmosfera de oxfgeno para evitar que se genere su oxidacion. Por tanto, a fin de evitar la oxidacion de las fibras de carbono (CF) a una temperatura elevada y mejorar las resistencias al calor y a la ablacion de las mismas, es muy importante asegurar una tecnologfa para fabricar un material compuesto con fibras de carbono.

En general, hay dos enfoques para evitar que las fibras de carbono se oxiden y para mejorar las resistencias al calor y a la ablacion de las mismas. Un enfoque es un procedimiento de adicion al carbono de un inhibidor de la oxidacion, y el otro enfoque es un procedimiento de revestimiento de una capa impermeable al oxfgeno sobre la superficie de las fibras de carbono. El primero puede inhibir la oxidacion hasta aproximadamente 1000 °C, si bien este procedimiento tiene la desventaja de que el efecto de inhibicion de la oxidacion se reduce considerablemente a una temperatura elevada de 1000 °C o superior. Por consiguiente, puede ser necesario formar una capa de revestimiento para evitar que las fibras de carbono se oxiden a una temperatura elevada de 1000 °C o superior.

Generalmente, como procedimientos de revestimiento con una capa protectora contra la oxidacion para una fibra de carbono, cuando la temperatura de uso es de aproximadamente 1000 °C o inferior, se usa una capa de revestimiento economica basada en acido fosforico. Cuando la temperatura de uso es de aproximadamente 1000 °C o superior, se usa una capa de revestimiento basada en boro. Sin embargo, el uso de boro esta limitado debido a la elevada presion de vapor en equilibrio del boro a una temperatura elevada de 1500 °C o superior.

Por tanto, para resolver este problema, a una temperatura de 1500 °C o superior, la oxidacion de la fibra de carbono se inhibe mediante la formacion de una capa de SiO2 amorfo que tiene una baja velocidad de transmision del oxfgeno sobre la superficie de la fibra de carbono.

La publicacion de la solicitud de patente en Estados Unidos con n.° 2004/0258839 se refiere a "un procedimiento para formar una capa de revestimiento protectora contra la oxidacion para impartir resistencia a la oxidacion a un carbono/material compuesto de carbono". La patente mencionada anteriormente desvela un procedimiento para formar dos o mas capas de revestimiento protectoras contra la oxidacion mediante impregnacion de Si solo sobre un carbono/material compuesto de carbono usando una tecnologfa de cementacion en paquete y, en particular, un

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procedimiento de revestimiento compuesto capaz de controlar el espesor de la capa de revestimiento en de 10 pm a 2000 pm. Sin embargo, este procedimiento no consigue alcanzar un efecto satisfactorio en terminos de un procedimiento de revestimiento o de resistencia al fuego. Asimismo, el procedimiento tiene la desventaja de que usa una reaccion con vapor qmmico en el revestimiento con materiales ceramicos y, por tanto, el proceso es complejo y costoso.

El documento US 5 562 966 se refiere a revestimientos resistentes a la oxidacion sobre fibras de carbono. Espedficamente, se incorporan partfculas de un inhibidor de la oxidacion a un revestimiento de encolado polimerico sobre las fibras de carbono.

S.M. Saufi y col. "Fabrication of carbon membranes for gas separation - a review", Carbon 42 (2004), 241-259, es una revision de los aspectos de la fabricacion de membranas de carbono.

El documento EP 1 622 423 A1 se refiere a un calentador de carbono que comprende un filamento de carbono dispuesto en un tubo para funcionar como elemento calefactor.

El documento EP 1 481 954 A1 se refiere a un material compuesto de carbono reforzado con fibras de carbono resistente a la oxidacion que comprende una matriz y un 20 % en volumen o mas de fibras de carbono y que se caracteriza porque la matriz contiene un polvo de material ceramico.

El documento US 5 190 654 se refiere a un procedimiento para producir una membrana mineral sobre un soporte mineral, que implica la produccion de una dispersion de una carga y una resina, el deposito de esta dispersion sobre un soporte de modo que forme una capa, seguido del tratamiento termico del soporte revestido con la capa, para obtener una membrana fina asimetrica.

El documento US 4 833 030 se refiere a un carbono/material compuesto de carbono formado mediante impregnacion de un carbono/material compuesto de carbono que contiene huecos con un polfmero, y curado y carbonizacion de dicho polfmero.

Descripcion

Problema tecnico

Las realizaciones proporcionan un procedimiento de revestimiento con una capa protectora contra la oxidacion para un carbono/material compuesto de carbono que tiene buena resistencia a la oxidacion, evitando la oxidacion de las fibras de carbono a una temperatura elevada y mejorando las resistencias al calor y a la ablacion de las mismas.

Solucion tecnica

Un aspecto de la presente invencion es un procedimiento de revestimiento con una capa protectora contra la oxidacion para un carbono/material compuesto de carbono que comprende: disolver una resina polimerica en un disolvente para formar una solucion de resina polimerica; dispersar polvos ceramicos en la solucion de resina polimerica para formar una solucion mixta; aplicar como revestimiento la solucion mixta sobre una fibra de carbono; efectuar un primer tratamiento termico para tratar la fibra de carbono mediante calentamiento al aire; y efectuar un segundo tratamiento termico para tratar la fibra de carbono mediante calentamiento en atmosfera de gas inerte, caracterizado porque la resina polimerica es poliacrilonitrilo, el polvo ceramico se selecciona entre el grupo que consiste en carburo de silicio (SiC), nitruro de silicio (Si3N4), y carburo de titanio (TiC), en el que la resina polimerica se disuelve en una proporcion de un 5 a un 10 % en peso, en el que los polvos ceramicos se dispersan en una proporcion de 1:0,5 a 1:2 en peso con respecto a la resina polimerica.

Otro aspecto de la presente invencion es un calentador de carbono que comprende: un filamento formado por un carbono o material compuesto de carbono revestido con una capa protectora contra la oxidacion mediante un procedimiento de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7; y terminales conectados a ambos extremos del filamento, los cuales suministran energfa al filamento.

Efectos ventajosos

De acuerdo con una realizacion, la oxidacion de las fibras de carbono se evita a una temperatura elevada y, por tanto, se mejoran las resistencias al calor y a la ablacion de un material compuesto de fibras de carbono. Asf, el material compuesto de fibras de carbono puede tener una estabilidad termica y una resistencia a la oxidacion elevadas cuando esta al aire.

Asimismo, de acuerdo con una realizacion, el material compuesto de fibras de carbono puede tener una capa de revestimiento uniforme. Por tanto, se puede prevenir el despegado de la capa de revestimiento, el cual se puede producir debido a la diferencia del coeficiente de dilatacion termica entre la capa de revestimiento y la superficie de las fibras de carbono sometidas a una historia termica repetitiva.

Ademas, de acuerdo con otra realizacion, la fuerza adhesiva entre la fibra de carbono y la capa de revestimiento se incrementa. Por consiguiente, se puede prevenir el despegado de la capa de revestimiento de la fibra de carbono

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debido a una fuerza ffsica externa.

Adicionalmente, de acuerdo con una realizacion, el tamano de parffcula de las parffculas ceramicas que se van a depositar como revestimiento sobre la superficie de la fibra de carbono se puede ajustar dependiendo de diversos factores, tales como el tiempo de revestimiento, la variacion de las concentraciones de la resina polimerica y del polvo ceramico, o la temperatura del tratamiento termico. As^ pues, el espesor de la capa de revestimiento se puede controlar, y se pueden formar capas de revestimiento con diferentes espesores sobre la superficie de la fibra de carbono.

Descripcion de las figuras

La Fig. 1A es una fotograffa por microscopfa electronica de barrido (SEM) de alta resolucion de la fibra de carbono.

La Fig. 1B es una fotograffa por microscopfa electronica de barrido (SEM) de alta resolucion de la fibra de carbono tras un tratamiento termico a 1000 °C al aire.

La Fig. 2 es un diagrama de flujo que muestra los procedimientos para la fabricacion de un material compuesto de fibras de carbono revestido con una solucion mixta que comprende polvos ceramicos de acuerdo con una realizacion.

La Fig. 3A es una fotograffa por microscopfa electronica de barrido (SEM) de alta resolucion de SiC.

La Fig. 3B es una fotograffa por microscopfa electronica de barrido (SEM) de alta resolucion de SiC tras un tratamiento termico a 1400 °C en atmosfera de argon.

Las Figs. 4A y 4B son fotograffas por microscopfa electronica de barrido (SEM) de alta resolucion de un material compuesto de fibras de carbono revestido con una solucion mixta de una solucion del 5 % en peso de poliacrilonitrilo (PAN) y SiC (carburo de silicio).

Las Figs. 4C y 4D son fotograffas por microscopfa electronica de barrido (SEM) de alta resolucion de un material compuesto de fibras de carbono revestido con una solucion mixta de una solucion del 7 % en peso de poliacrilonitrilo (PAN) y SiC (carburo de silicio).

La Fig. 5 es un grafico de analisis por difraccion de rayos X (XRD) de un material compuesto de fibras de carbono con SiC de acuerdo con una realizacion.

La Fig. 6 es un grafico de analisis termogravimetrico (TGA) de un material compuesto de fibras de carbono de acuerdo con una realizacion.

La Fig. 7 es una vista transversal longitudinal que muestra un calentador de carbono de acuerdo con una realizacion.

La Fig. 8 es una vista transversal longitudinal que muestra un calentador de carbono de acuerdo con otra realizacion.

La Fig. 9 es una vista transversal longitudinal que muestra una cocina de acuerdo con una realizacion.

Mejor modo

En lo sucesivo en el presente documento, se describira con detalle un procedimiento de revestimiento con una capa protectora contra la oxidacion para un carbono/material compuesto de carbono de acuerdo con la presente invencion, con referencia a las realizaciones y figuras adjuntas.

La Fig. 2 es un diagrama de flujo que muestra los procedimientos para la fabricacion de un material compuesto de fibras de carbono revestido con una solucion mixta que comprende polvos ceramicos de acuerdo con la presente invencion.

Con respecto a la Fig. 2, en primer lugar se disuelve una resina polimerica en un disolvente para formar una solucion de resina polimerica, y se dispersan y se mezclan polvos ceramicos con la solucion de resina polimerica (S10). Asf, se pueden depositar de forma estable sobre la superficie de las fibras de carbono materiales ceramicos que tienen una fuerza adhesiva relativamente baja respecto a las fibras de carbono.

Esto es, en el caso de fibras de carbono formadas a temperatura elevada, el numero de grupos funcionales sobre la superficie de las fibras de carbono que pueden potenciar una fuerza de union a una matriz es relativamente bajo y, por tanto, la fuerza adhesiva respecto a materiales ceramicos llega a ser muy debil. Por tanto, las siguientes resinas polimericas se pueden introducir en las fibras de carbono para mejorar una propiedad de union de la superficie de las fibras de carbono y conferir a la superficie resistencias a la ablacion y a la corrosion de modo que mejore la funcionalidad de las fibras de carbono.

La resina polimerica son poliacrilonitrilos.

Se pueden usar poliacrilonitrilos (PAN, peso molecular = 160 000), que incluyen homopolfmeros 100% puros y copolfmeros de acrilos modificados que contienen de un 5 a un 15% en peso. Como componentes de los copoffmeros, se pueden usar materiales de copolfmeros tales como acido itaconico o metacrilato (MA).

Las resinas polimericas, por tanto, pueden mejorar una propiedad de union de la superficie de las fibras de carbono. Asf, las resinas polimericas mencionadas anteriormente pueden mejorar una fuerza adhesiva de las fibras de carbono a los materiales ceramicos, y las resistencias a la ablacion y a la corrosion de la superficie de las fibras de

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carbono.

El disolvente en el que se disuelven las resinas polimericas se puede seleccionar entre el grupo que consiste en tetrahidrofurano (THF), dimetilformamida (DMF), dimetilacetamida (DMAc), piridina y quinolina. En la solucion de resina polimerica que comprende la resina polimerica disuelta en el disolvente, la resina polimerica esta presente en una proporcion de un 5 a un 10% en peso.

El material ceramico puede ser un material ceramico no oxidante que tiene un elevado punto de fusion, una buena tenacidad, y buenas resistencias a la oxidacion y a la ablacion. El material ceramico se selecciona entre el grupo que consiste en carburo de silicio (SiC), nitruro de silicio (Si3N4), o carburo de titanio (TiC) y puede ser, preferentemente, SiC.

El material ceramico se dispersa en una proporcion de 1:0,5 a 1:2 en peso con respecto a la resina polimerica, preferentemente en una proporcion de 1:0,8 a 1:1,3 con respecto a la resina polimerica y, mas preferentemente, en una proporcion de 1:1 con respecto a la resina polimerica. Asf, de acuerdo con una realizacion, los polvos ceramicos se pueden depositar uniformemente como revestimiento sobre la superficie de las fibras de carbono cuando la proporcion de la resina polimerica con respecto al polvo ceramico es de 1:1 en peso.

En la etapa 10 (S10), la solucion de resina polimerica y el material ceramico se puede mezclar usando un agitador, una varilla y similares de modo que el material ceramico se mezcle uniformemente con la solucion de resina polimerica. Es decir, se pueden usar diversos procedimientos para dispersar los polvos ceramicos de forma uniforme en la solucion de resina polimerica.

A continuacion, la solucion mixta de resina polimerica y material ceramico se deposita como revestimiento sobre la superficie de las fibras de carbono (S20). La solucion mixta de resina polimerica y material ceramico se puede depositar como revestimiento sobre la superficie de las fibras de carbono usando procedimientos de revestimiento tales como revestimiento con cepillo o revestimiento con rodillo. Asimismo, la solucion mixta se puede depositar como revestimiento sobre la superficie de las fibras de carbono usando un dispositivo de revestimiento por inmersion.

De acuerdo con una realizacion, en la etapa 20 (S20), la solucion mixta de resina polimerica y material ceramico se puede depositar como revestimiento de 7 a 12 veces usando un cepillo sobre la superficie de las fibras de carbono. La solucion mixta de resina polimerica y material ceramico preferentemente se puede depositar como revestimiento aproximadamente 10 veces usando un cepillo sobre la superficie de las fibras de carbono. Si la solucion mixta se deposita como revestimiento muchas menos veces sobre la superficie de las fibras de carbono, es diffcil conseguir un revestimiento uniforme completamente entre las fibras de carbono. Por el contrario, si la solucion mixta se deposita como revestimiento muchas mas veces, los polvos ceramicos se agregan para formar un revestimiento no uniforme. Por tanto, es mas adecuado depositar como revestimiento la solucion el numero de veces indicado anteriormente.

El espesor del revestimiento y el tamano de partfcula del material ceramico depositado como revestimiento sobre la superficie de las fibras de carbono pueden variar dependiendo de diversos factores tales como el tiempo de revestimiento, la variacion de la concentracion de resina polimerica y de polvo ceramico o la temperatura del tratamiento termico indicado previamente.

En el caso de formar una capa de revestimiento mediante deposicion en fase de vapor de materiales ceramicos que tienen diferentes coeficientes de dilatacion termica sobre la superficie de las fibras de carbono, se puede generar un despegado de la capa de revestimiento por la historia termica repetitiva debido a la diferencia del coeficiente de dilatacion termica entre la capa de revestimiento y la superficie del sustrato. Sin embargo, de acuerdo con una realizacion, tal como se ha descrito anteriormente, la solucion mixta de resina polimerica y material ceramico se deposita como revestimiento sobre la superficie de las fibras de carbono y, por tanto, se puede evitar el despegado de la capa de revestimiento por la historia termica.

Tras finalizar la etapa 20, para una fibra de carbono que tiene una capa de revestimiento formada, se efectua un primer tratamiento termico al aire (S30). Despues, tras finalizar la etapa 30, la fibra de carbono sometida al primer tratamiento termico se somete a un segundo tratamiento termico en una atmosfera de gas inerte para formar el material compuesto de fibras de carbono (S40).

Las etapas 30 y 40 son etapas para la estabilizacion frente a la oxidacion a fin de aumentar la estabilidad termica de la resina polimerica. Para este fin, la etapa 30 se puede efectuar a una temperatura de 200 °C a 400 °C y, mas preferentemente, a la temperatura de 200 °C a 300 °C. Asimismo, la etapa 30 se puede efectuar durante un periodo de 30 minutos a 2 horas y, preferentemente, de 30 minutos a 1 hora. La etapa 40 se puede efectuar a una temperatura de 1000 °C a 1600 °C y, mas preferentemente, a la temperatura de 1000 °C a 1400 °C. Asimismo, la etapa 40 se puede efectuar durante un periodo de 30 minutos a 2 horas y, preferentemente, de 30 minutos a 1 hora. Ademas, se puede usar gas argon como gas inerte en la etapa 40.

En lo sucesivo en el presente documento, los ejemplos de acuerdo con una realizacion se describiran con detalle con referencia a las figuras adjuntas. Estos ejemplos, sin embargo, deben tener por objeto limitar el alcance de la

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presente invencion.

La Fig. 3A es una fotograffa por microscopfa electronica de barrido (SEM) de alta resolucion de SiC; la Fig. 3B es una fotograffa por microscopfa electronica de barrido (SEM) de alta resolucion de SiC tras un tratamiento termico a 1400 °C en atmosfera de argon; las Figs. 4A y 4B son fotograffas por microscopfa electronica de barrido (SEM) de alta resolucion de un material compuesto de fibras de carbono revestido con una solucion mixta de una solucion del 5 % en peso de poliacrilonitrilo (PAN) y SiC (carburo de silicio); la Fig. 4C es una fotograffa por microscopfa electronica de barrido (SEM) de alta resolucion de un material compuesto de fibras de carbono revestido con una solucion mixta de una solucion del 7 % en peso de poliacrilonitrilo (PAN) y SiC (carburo de silicio); la Fig. 5 es un grafico de analisis por difraccion de rayos X (XRD) de un material compuesto de fibras de carbono con SiC de acuerdo con una realizacion; y la Fig. 6 es un grafico de analisis termogravimetrico (TGA) de un material compuesto de fibras de carbono de acuerdo con una realizacion.

Etapa 10: Mezcla de la resina polimerica y el material ceramico

Se prepararon 25 ml de una solucion de resina polimerica disolviendo 1,25 g de poliacrilonitrilo en 23,75 ml de DMF como disolvente. Se preparo una mezcla mixta al 5 % en peso mezclando 2 ml de la solucion de resina polimerica y 2 g de polvos de SiC.

Por separado se prepararon 25 ml de una solucion de resina polimerica disolviendo 1,75 g de poliacrilonitrilo en 23,75 ml de DMF como disolvente. Se preparo una mezcla mixta al 7 % en peso mezclando 2 ml de la solucion de resina polimerica y 2 g de polvos de SiC.

Con respecto a la Fig. 3A, a partir de la fotograffa por microscopfa electronica se demostro que el tamano de parffcula de las parffculas ceramicas de SiC era de 25 a 30 pm, y las parffculas pequenas de SiC que teman un tamano de parffcula de 1 pm o inferior, se distribrnan sobre las parffculas grandes. Asimismo, con respecto a la Fig. 3B, se observo que las parffculas pequenas de SiC eran modificadas en forma de filamentos de SiC mediante el tratamiento termico a 1400 °C en atmosfera de gas argon.

Etapa 20: Revestimiento

La solucion mixta preparada en la etapa 10 se deposito como revestimiento sobre las superficies de las fibras de carbono usando un procedimiento de revestimiento con cepillo. El procedimiento de revestimiento con cepillo tiene la ventaja de que es un procedimiento muy sencillo y de que el tiempo necesario para obtener un revestimiento es muy corto. La solucion mixta se deposito como revestimiento aproximadamente 10 veces sobre las superficies de las fibras de carbono usando un procedimiento de revestimiento con cepillo.

Etapas 30 y 40: Primer y segundo tratamientos termicos

A continuacion, tras depositar como revestimiento la solucion mixta de poliacrilonitrilo y SiC sobre las fibras de carbono usando un cepillo, estas se secaron al aire. Tras finalizar el secado de la solucion, las fibras de carbono se sometieron al primer tratamiento termico calentando a una temperatura de 200 °C a 300 °C durante un periodo de 0,5 a 1 hora al aire. Seguidamente, las fibras de carbono se sometieron a un segundo tratamiento termico calentando a una temperatura de 1000 °C a 1400 °C durante un periodo de 0,5 a 1 hora en atmosfera de gas argon a fin de revestir las parffculas de SiC de tamano uniforme sobre las fibras de carbono con un espesor uniforme.

En una capa del revestimiento de SiC depositado sobre las fibras de carbono, estan dispersas las parffculas de SiC esfericas sobre las superficies de las fibras de carbono. El tamano de parffcula de las parffculas de SiC esfericas tiene un diametro promedio de 300 nm cuando se usa la solucion mixta al 5 % en peso de la etapa 10, o un diametro promedio de 600 nm cuando se usa la solucion mixta al 7 % en peso de la etapa 10.

Se preparo un material compuesto de fibras de carbono revestido con SiC usando las etapas anteriores.

Resultado: Analisis de las estructuras de las fibras de carbono revestidas con parffculas ceramicas de acuerdo con la presente invencion.

Con respecto a la Fig. 4, las Figs 4A y 4B, son fotograffas por microscopfa electronica de barrido (SEM) de alta resolucion de la superficie de un material compuesto de fibras de carbono que se prepara mezclando una resina PAN que tiene una concentracion del 5% en peso y polvos de SiC en una proporcion de 1:1 para formar una solucion mixta, depositando como revestimiento la solucion sobre las fibras de carbono, sometiendolas a estabilizacion frente a la oxidacion, y sometiendolas a un tratamiento termico a 1400 °C. Las Figs 4C y 4D, son fotograffas por microscopfa electronica de barrido (SEM) de alta resolucion de la superficie de un material compuesto de fibras de carbono que se prepara mezclando una resina PAN que tiene una concentracion del 7 % en peso y polvos de SiC en una proporcion de 1:1 para formar una solucion mixta, depositando como revestimiento la solucion sobre las fibras de carbono, sometiendolas a estabilizacion frente a la oxidacion, y sometiendolas a un tratamiento termico a 1400 °C.

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A partir de estas microfotograffas se demostro que, en el caso del material compuesto de fibras de carbono preparadas usando la resina PAN que tiene una concentracion del 5 % en peso, se formaban partroulas de SiC que teman un tamano de 0,1 a 0,3 pm. En el caso del material compuesto de fibras de carbono preparadas usando la resina PAN que tiene una concentracion del 7 % en peso, se formaban partroulas de SiC que teman un tamano de 0,5 a 0,8 pm. Cuando se usaba la concentracion del 7 % en peso, las partroulas teman un tamano relativamente grande en comparacion con las obtenidas con la concentracion del 5 % en peso, si bien disminrna la uniformidad del revestimiento.

Se considera que esta diferencia es generada debido a que la diferencia de viscosidad de las soluciones de resina que tienen diferentes concentraciones influye en la dispersabilidad del material de revestimiento. Es decir, puesto que la solucion al 5 % en peso tiene una concentracion menor de resina que la solucion al 7 % en peso, la solucion al 5 % en peso tiene menor viscosidad y mejor dispersabilidad que la solucion al 7 % en peso.

Por el contrario, en el caso de la solucion al 7 % en peso, la uniformidad de la dispersion de las partroulas disminuye debido a una viscosidad relativamente elevada. Desde otro punto de vista, se puede considerar que esta diferencia es generada debido a una diferencia de la tension superficial entre dos soluciones que tienen diferentes concentraciones y partroulas dispersadas. La tension superficial entre la solucion y las partroulas dispersadas es relativamente grande cuando se usa la solucion al 7 % en peso en comparacion con la solucion al 5 % en peso. Asf, cuando se usa una solucion al 5 % en peso, el tamano de partroula de las partroulas formadas sobre las fibras tras el tratamiento termico es relativamente pequeno, aunque el tamano de partroula de las partroulas formadas sobre las fibras es relativamente grande cuando se usa la solucion al 7 % en peso.

Con respecto a la Fig. 5, el pico 002 se observa definitivamente en la posicion de 2?= 25,92 del grafico de analisis por difraccion de rayos X de un material compuesto de fibras de carbono con SiC. A partir del grafico, se puede demostrar que se habfa desarrollado bien la grafitizacion de los granos que constituyen las fibras. Asimismo, en el caso del pico 101, los picos de las facetas 100 y 101 a 2?= 40~42, no estaban separados. Por tanto, se predice que la mayona de las fibras forman una estructura turboestratica. Puesto que las partroulas ceramicas forman una capa amorfa que tiene una baja velocidad de transmision del oxfgeno sobre la superficie de la fibra en atmosfera de oxidacion a una temperatura elevada, y puesto que esta capa actua como capa protectora para prevenir la oxidacion, se puede inhibir la oxidacion de las fibras de carbono.

La Fig. 6 es un grafico de analisis termogravimetrico (TGA), para una fibra de carbono, para el material compuesto de fibras de carbono revestido con la solucion mixta de un 5 % en peso de resina PAN y SiC en una proporcion de 1:1, y para el material compuesto de fibras de carbono revestido con la solucion mixta de un 7 % en peso de resina PAN y SiC en una proporcion de 1:1. La resistencia a la oxidacion muestra el mejor valor cuando el peso permanece invariable en este grafico de analisis termogravimetrico. De un resultado del analisis TGA efectuado mientras se calentaba a 1000 °C a una velocidad de elevacion de la temperatura de 10 °C/min al aire, se demostro que el SiC no mostraba una variacion de peso y, por tanto, el SiC era un material que tema una buena resistencia a la oxidacion. Por el contrario, la fibra de carbono mostraba una gran disminucion del peso tras calentarla a 1000 °C. En el caso del material compuesto de fibras de carbono revestido con materiales ceramicos, se demostro que la resistencia a la oxidacion de este material compuesto aumentaba considerablemente en un 80 % o mas. Asimismo, la resistencia a la oxidacion mostraba un valor relativamente mejor cuando se usaba la resina PAN al 5 % en peso en comparacion con la resina PAN al 7 % en peso. Se considera que una razon para esto es porque la solucion de resina al 5 % en peso tiene una buena dispersabilidad del SiC y menor tamano de partroula que la solucion de resina al 7 % en peso y, por tanto, la solucion de resina al 5 % en peso se puede aplicar de forma eficaz sobre la superficie de las fibras de carbono.

Modo para la invencion

En lo sucesivo en el presente documento, de acuerdo con una realizacion se describira con detalle un calentador de carbono con referencia a las figuras adjuntas.

Con respecto a la Fig. 7, de acuerdo con la presente realizacion, un filamento 110 que constituye un calentador de carbono 100 se forma con carbono o un material compuesto de carbono revestido con una capa protectora contra la oxidacion. En el presente documento, la capa protectora contra la oxidacion para carbono o un material compuesto de carbono se puede depositar como revestimiento usando el procedimiento de revestimiento con una capa protectora contra la oxidacion de acuerdo con una realizacion.

Asimismo, el filamento 110 tiene elementos de soporte 120 en cada uno de ambos extremos. Los elementos de soporte 120 se pueden formar, por ejemplo, con un material que tiene la resistencia al calor y las propiedades aislantes deseadas.

Ademas, ambos extremos del filamento 110 estan conectados cada uno a los terminales 130 de una fuente de energfa. Los terminales 130 de la fuente de energfa se hacen pasar sustancialmente a traves de los elementos de soporte 120 y se conectan a ambos extremos del filamento 110. La energfa se suministra al filamento 110 a traves de los terminales 130 de la fuente de energfa.

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Contrariamente a un calentador de carbono general, el calentador de carbono de acuerdo con la presente realizacion no tiene un tubo, ya que el filamento 110 esta revestido con una capa protectora contra la oxidacion y, por tanto, no es necesario encerrar hermeticamente el filamento 110 dentro del tubo ni llenar el tubo con un gas inerte para evitar que el tubo se oxide.

Con respecto a la Fig. 8, de acuerdo con la presente realizacion, un filamento 210 que esta formado con carbono o un material compuesto de carbono revestido con una capa protectora contra la oxidacion se coloca dentro de un tubo 240. El tubo 240 tiene un hueco cuyos dos extremos estan abiertos. De acuerdo con esta realizacion, el tubo 240 se produce con una forma de barra que tiene la longitud deseada, aunque la forma del tubo 240 no esta limitada a esta.

Asimismo, el tubo 240 tiene elementos de proteccion 220 a ambos lados. Los elementos de proteccion 220 protegen ambos extremos del tubo 240. Los elementos de proteccion 220 se pueden formar con el mismo material que el de los elementos de soporte 220 del calentador de carbono de acuerdo con la realizacion previamente mencionada. En el presente documento, los elementos de soporte 220 no cierran hermeticamente el tubo 240, sino que estan fijos en ambos extremos del tubo 240 mediante una modalidad a presion, por ejemplo.

Ambos extremos del filamento 210 estan conectados a los terminales 230 de una fuente de energfa. Los terminales 230 de la fuente de energfa estan para suministrar energfa al filamento 210, y estan conectados a ambos extremos del filamento 210 a traves de los elementos de proteccion 220.

De acuerdo con la presente realizacion, el tubo 240 sirve para proteger el filamento 210 o para proteger el filamento 210 del entorno exterior mas que para encerrar el filamento 210 al vado o en una atmosfera de gas inerte. Por tanto, ambos extremos del tubo 240 pueden estar abiertos, y se pueden proteger simplemente mediante los elementos de proteccion 220. Esta constitucion se puede conseguir mediante revestimiento del filamento 210 con una capa protectora contra acidos.

En lo sucesivo en el presente documento, de acuerdo con una realizacion se describira con detalle una cocina con referencia a las figuras adjuntas.

La Fig. 9 es una vista transversal longitudinal que muestra una cocina de acuerdo con otra realizacion.

Con respecto a la Fig. 9, se proporciona una camara de cocinado 11 en una cavidad 10. Los alimentos se cocinan en la camara de cocinado 11. La camara de cocinado 11 se puede abrir y cerrar selectivamente mediante una puerta (no mostrada).

Una abertura de transferencia 12 se forma sobre la superficie superior de la cavidad 10. La abertura de transferencia 13 es para transferir energfa desde el calentador 200 de la presente invencion a la camara de cocinado 11. La abertura de transferencia 13 se forma cortando una porcion de la superficie superior de la cavidad 10.

El calentador de carbono 200 se instala sobre la superficie superior de la cavidad 10. El calentador de carbono 200 se instala sobre la superficie superior de la cavidad 10 por encima de la abertura de transferencia 13. El calentador de carbono 200 proporciona energfa tal como luz y calor para cocinar alimentos dentro de la camara de cocinado 11. De acuerdo con esta realizacion, se usa el mismo calentador de carbono que el calentador de carbono 200 mostrado en la Fig. 8, aunque se puede usar el calentador de carbono 100 mostrado en la Fig. 7.

El calentador de carbono 200 se protege mediante un reflector 20. El reflector 20 sirve para reflejar la energfa desde el calentador de carbono 200 y transferirla a la camara de cocinado 11. Igualmente, el reflector 20 sirve para evitar que la energfa del calentador de carbono 200 salga hacia afuera.

Por tanto, de acuerdo con la presente realizacion, cuando el calentador de carbono 200 se opera, la energfa generada desde el calentador de carbono 200 se transfiere a la camara de cocinado 11 a traves de la abertura de transferencia 13. Asimismo, la energfa procedente del calentador de carbono 200 es reflejada por el reflector 20 en la camara de cocinado 11.

Claims

5

10

15

20

25

30

35

REIVINDICACIONES

1. Un procedimiento de revestimiento con una capa protectora contra la oxidacion para un carbono/material compuesto de carbono, que comprende:

disolver una resina polimerica en un disolvente para formar una solucion de resina polimerica; dispersar polvos ceramicos en la solucion de resina polimerica para formar una solucion mixta; depositar como revestimiento la solucion mixta sobre una fibra de carbono;

efectuar un primer tratamiento termico para tratar la fibra de carbono mediante calentamiento al aire; y efectuar un segundo tratamiento termico para tratar la fibra de carbono mediante calentamiento en atmosfera de gas inerte, caracterizado porque la resina polimerica es poliacrilonitrilo, el polvo ceramico se selecciona entre el grupo que consiste en carburo de silicio (SiC), nitruro de silicio (Si3N4), y carburo de titanio (TiC), en el que la resina polimerica se disuelve en una proporcion de un 5 a un 10 % en peso,

en el que los polvos ceramicos se dispersan en una proporcion de 1:0,5 a 1:2 en peso con respecto a la resina polimerica.
2. El procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 1, en el que el disolvente se selecciona entre el grupo que consiste en tetrahidrofurano (THF), dimetilformamida (DMF), dimetilacetamida (DMAc), piridina y quinolina.
3. El procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 1, en el que, en la etapa de revestimiento, la solucion mixta se deposita como revestimiento sobre la fibra de carbono usando un procedimiento de revestimiento con cepillo o con rodillo.
4. El procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 1, en el que el primer tratamiento termico se efectua a una temperatura de 200 °C a 400 °C.
5. El procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 1, en el que el gas inerte es argon.
6. El procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 1, en el que el segundo tratamiento termico se efectua a una temperatura de 1000 °C a 1600 °C.
7. El procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 1, en el que el primer tratamiento termico se efectua a una temperatura superior a la del segundo tratamiento termico.
8. Un calentador de carbono que comprende:

un filamento formado por carbono o un material compuesto de carbono revestido con una capa protectora contra la oxidacion mediante un procedimiento de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7; y terminales conectados a ambos extremos del filamento, los cuales suministran energfa al filamento.
9. El calentador de carbono de acuerdo con la reivindicacion 8, que comprende adicionalmente elementos de soporte proporcionados a ambos extremos del filamento, en el que los terminales se hacen pasar a traves de los elementos de soporte.
10. El calentador de carbono de acuerdo con la reivindicacion 8, que comprende adicionalmente un tubo con forma hueca cuyos dos extremos estan abiertos, en el que el filamento se coloca dentro del tubo.
11. El calentador de carbono de acuerdo con la reivindicacion 10, que comprende adicionalmente elementos de proteccion para proteger ambos extremos del tubo.