RU2085628C1

RU2085628C1 - Apparatus for modification of carbonic fibrous material surfaces in gaseous atmosphere

Info

Publication number: RU2085628C1
Application number: RU92007397A
Authority: RU
Inventors: В.С. Килин; В.Н. Харламов; В.И. Костиков; А.В. Демин; А.Г. Кузьмин; Г.Ф. Суховилов; В.И. Шарапов
Original assignee: Государственный научно-исследовательский институт конструкционных материалов на основе графита
Priority date: 1992-11-19
Filing date: 1992-11-19
Publication date: 1997-07-27

Abstract

FIELD: chemical engineering. SUBSTANCE: apparatus has heated through chamber for basic reactive gas, fiber pulling device, accumulating unit and drive. Fiber pulling device has collecting-transfer unit mounted below accumulating unit. Fibrous material feeding unit has pair of feeding rollers with annular channels on their surface. Rollers are fixed on rotary shafts and offset one with respect to the other in horizontal plane. Accumulating unit has immovable faceplate, at least one base mounted for rotational-progressive planar-parallel motion and system of winding spools, each provided with filament spreader. EFFECT: increased efficiency, simplified construction and improved quality of material. 3 cl, 8 dwg

Description

Изобретение относится к области химического машиностроения, конкретно к установкам высокотемпературного химического осаждения тугоплавких покрытий из газовой фазы на углеграфитовые волокнистые материалы
Из уровня техники известен способ нанесения карбидокремниевого покрытия на нить в двухкамерной установке при атмосферном давлении. Для получения равномерного покрытия используют виброустройство. Наличие виброустройства, однако, усложняет установку, приводит к травмированию волокна и потере прочности. Из-за перетекания газовых компонентов из камеры в камеру невозможно регулировать состав покрытия.The invention relates to the field of chemical engineering, specifically to installations for high-temperature chemical deposition of refractory coatings from the gas phase onto carbon-graphite fibrous materials
The prior art method for applying silicon carbide coating on a thread in a two-chamber installation at atmospheric pressure. To obtain a uniform coating using a vibration device. The presence of a vibration device, however, complicates the installation, leading to fiber injury and loss of strength. Due to the flow of gas components from chamber to chamber, it is not possible to control the composition of the coating.

Известно многокамерное устройство для осаждения покрытий на волокнистые материалы, в котором камеры в виде цилиндрических труб соединены тефлоновыми муфтами-затворами. Каждая камера имеет щелевое отверстие для прохождения волокна и ртутное уплотнение, обеспечивающее герметичную изоляцию между смежными камерами и надежный электроконтакт волокна с источником электропитания. Каждая камера имеет два патрубка для подачи реакционных газов в камеру и перетекания газа из камеры в камеру параллельно направлению движения волокна. Имеется также устройство для транспортировки волокнистого материала, расположенное вне камеры. A multi-chamber device for depositing coatings on fibrous materials is known, in which chambers in the form of cylindrical pipes are connected by Teflon closure couplings. Each chamber has a slotted hole for fiber passage and a mercury seal, which provides tight insulation between adjacent chambers and a reliable electrical contact of the fiber with a power source. Each chamber has two nozzles for supplying reaction gases to the chamber and gas flowing from the chamber to the chamber parallel to the direction of fiber movement. There is also a device for transporting fibrous material located outside the chamber.

Данное устройство, однако, не позволяет получить равномерного осаждения покрытия на волокнистом материале с полиструктурой в виде пряжи или жгута из-за местных перегревов или переохлаждения таких материалов. Это относится, в частности, также и к углеграфитовым материалам, состоящим из множества элементарных углеродных волокон диаметром 3-10 мкм. При транспортировке таких материалов, особенно при повышенных температурах, как правило, имеет место ворошение, что дополнительно приводит к возникновению новых участков материала с зонами местного перегрева и, как следствие, к более неравномерному осаждению покрытия. Этому способствует и наличие виброустройства. Состав покрытия при этом не регулируется. This device, however, does not allow uniform deposition of the coating on a fibrous material with a polystructure in the form of yarn or tow due to local overheating or supercooling of such materials. This applies, in particular, also to carbon-graphite materials, consisting of many elementary carbon fibers with a diameter of 3-10 microns. When transporting such materials, especially at elevated temperatures, as a rule, tedding occurs, which additionally leads to the emergence of new sections of material with zones of local overheating and, as a result, to more uneven deposition of the coating. This is facilitated by the presence of a vibration device. The composition of the coating is not regulated.

Известно устройство для осаждения покрытий на волокнистые материалы. Это устройство имеет реакционную камеру, приемное и загрузочное устройства. Реакционная камера имеет водяное охлаждение и снабжена патрубками для ввода исходных компонентов и отвода продуктов пиролиза. При нанесении покрытий в таких условиях электропроводный волокнистый материал (представляющий собой мононить) нагревают за счет протекания через него электрического тока, при этом температуру нагрева волокна задают количеством проходящего через него тока, а контролируют с помощью оптического пирометра. Нить транспортируется через реакционную камеру, в которую одновременно подается исходная парогазовая смесь. A device for depositing coatings on fibrous materials is known. This device has a reaction chamber, a receiving and loading device. The reaction chamber has water cooling and is equipped with nozzles for introducing the starting components and removal of the pyrolysis products. When applying coatings under such conditions, the electrically conductive fibrous material (which is monofilament) is heated by the flow of electric current through it, while the temperature of the fiber is set by the amount of current passing through it, and controlled using an optical pyrometer. The thread is transported through the reaction chamber, into which the initial vapor-gas mixture is simultaneously supplied.

В таких устройствах распределение температурных полей по длине волокнистого материала крайне неравномерно из-за местных перегревов или переохлаждения, что не позволяет при непрерывной транспортировке материала достичь достаточной равномерности осаждения покрытия на нем как по длине, так и по глубине. Кроме того, такая конструкция позволяет наносить покрытие только на одну мононить, что заведомо не дает достаточной производительности и удорожает стоимость процесса нанесения покрытий на волокно, а следовательно, и стоимость волокна с покрытием. In such devices, the distribution of temperature fields along the length of the fibrous material is extremely uneven due to local overheating or supercooling, which does not allow for a uniform transportation of the coating to be deposited uniformly on it both in length and in depth during continuous transportation of the material. In addition, this design allows coating only one monofilament, which obviously does not provide sufficient productivity and increases the cost of the coating process on the fiber, and therefore the cost of the coated fiber.

Ближайшим аналогом изобретения является установка для модификации поверхности углеродных нитей, содержащая узел подачи множества разматываемых параллельных концов нитей, включающий фланцевую бобину и бобину для сматывания крафтбумаги, транспортирующие ролики и серию приводных подающих роликов, расположенных со смещением по вертикали, сушилку, всасывающие камеры, примыкающие к входному и выходному концам реакционной камеры, серию роликов, выводящих обработанный материал из камеры, и узел намотки, содержащий фланцевые приемные бобины. На фиг.1 представлена принципиальная схема установки для нанесения тугоплавких покрытий на волокнистые материалы; на фиг.2 распределительное приспособление; на фиг.3-6 принципиальная схема реализации сборно-разводящего устройства и узла намотки. The closest analogue of the invention is an installation for modifying the surface of carbon filaments, comprising a feed assembly for a plurality of parallel unwinding filament ends, including a flange reel and a reel for winding kraft paper, conveyor rollers and a series of drive feed rollers arranged vertically offset, a dryer, suction chambers adjacent to the inlet and outlet ends of the reaction chamber, a series of rollers discharging the processed material from the chamber, and a winding assembly comprising flange receiving bobbins . Figure 1 presents a schematic diagram of an installation for applying refractory coatings to fibrous materials; figure 2 distribution device; Fig.3-6 is a schematic diagram of the implementation of the assembly-breeding device and the winding unit.

Установка (фиг. 1) включает в себя приспособления протяжки волокнистого материала 1 в обогреваемую проходную реакционную камеру 2, узел накопления 3. Приспособление протяжки имеет подающие ролики 4, установленные со смещением друг относительно друга в вертикальной плоскости. Приспособление протяжки волокнистого материала снабжено сборно-разводящим узлом 5, расположенным перед узлом накопления 3. Упомянутые узлы герметично соединены между собой и размещены на столе 6. Узел подачи, входящий в приспособление протяжки, содержит три подающих ролика, которые размещены на одной панели (фиг. 2). Ролик 7 имеет гладкую поверхность и осуществляет прием навойной ленты с навойной катушки, а ролики 8 и 9 смещены друг относительно друга в вертикальной плоскости и имеют на поверхности кольцевые канавки для обрабатываемого волокнистого материала. Ролики 8 и 9 установлены на осях, которые прикреплены к панели с высокой степенью параллельности так, что смещение их в горизонтальной плоскости друг относительно друга составляет величину полушага между кольцевыми канавками. The installation (Fig. 1) includes a device for broaching fibrous material 1 into a heated passage reaction chamber 2, an accumulation unit 3. The broaching device has feed rollers 4 mounted offset from each other in a vertical plane. The device for broaching fibrous material is equipped with a collecting and distributing unit 5 located in front of the storage unit 3. The said units are hermetically connected to each other and placed on the table 6. The feeding unit included in the broaching device contains three feed rollers that are placed on one panel (Fig. 2). The roller 7 has a smooth surface and receives the tape from the coil, and the rollers 8 and 9 are offset from each other in a vertical plane and have annular grooves on the surface for the fibrous material being processed. The rollers 8 and 9 are mounted on axes that are attached to the panel with a high degree of parallelism so that their horizontal displacement relative to each other is equal to the half-step between the annular grooves.

Сборно-разводящий узел 5 (фиг.3 и 5) представляет собой короб с двумя откидными крышками 10. Внутри короба установлены на плате 11 две пары роликов 12 и 13 для распределения нитей: каждая пара для одного ручья (жгутов) нитей. Каждый ролик выполнен на соответствующее количество нитей. Короб через фланец соединен с реактором 2 и через конический патрубок с узлом накопления 3. The pick-and-place assembly 5 (FIGS. 3 and 5) is a box with two hinged covers 10. Inside the box, two pairs of rollers 12 and 13 are installed on the board 11 for distributing the threads: each pair for one stream (bundles) of threads. Each roller is made on the corresponding number of threads. The box through the flange is connected to the reactor 2 and through a conical pipe with the accumulation unit 3.

Узел накопления расположен в бункере, предназначенном для герметизации узла. Приемный бункер состоит из корпуса 14, установленного на тележке 15 для передвижения вдоль установки при монтаже нагревателя реакционной камеры 2, привода, состоящего из электродвигателя 16, муфты 17, редуктора 18, размещенных на корпусе бункера, двух пар конических шестерен 19, одна из которых находится внутри бункера, шлицевого вала 20, шестеренной пары 21, винтового барабанчика 22 для получения крестовой намотки волокна на намоточной катушке 23. The storage unit is located in a hopper designed to seal the unit. The receiving hopper consists of a housing 14 mounted on a trolley 15 for movement along the installation during installation of the reaction chamber heater 2, a drive consisting of an electric motor 16, a coupling 17, a gearbox 18 located on the hopper body, two pairs of bevel gears 19, one of which is inside the hopper, spline shaft 20, gear pair 21, screw drum 22 to obtain cross-winding fibers on the winding coil 23.

Намотка нитей на патроны 23 осуществляется сложением двух рабочих движений: вращения патронов и возвратно-поступательного перемещения патронов вдоль их осей вращения при фиксированном положении нитей. Эти перемещения патронов осуществляются от одного привода. The winding of the threads on the cartridges 23 is carried out by the addition of two working movements: rotation of the cartridges and reciprocating movement of the cartridges along their axis of rotation with a fixed position of the threads. These movements of cartridges are carried out from one drive.

Вращение намоточных катушек 23 осуществляется от шлицевого вала 20 через паразитные шестерни 24 (фиг.6) и связаны с ними шестернями 25, закрепленными на валах 26 (фиг.7), на которые с двух концов помещены оправки 27 с плоскими пружинами 28 для фиксации патронов на оправках. Шестерни 25, закрепленными на валах 26, и паразитные шестерни 24, вращающиеся на осях 29, смонтированы на основаниях 30, закрепленных на тяге 31 каретки, состоящей из тяги и двух планок 32 с роликами 33 (фиг.8). Крутящий момент, передаваемый на намоточные катушки 23 через фрикционы от валов 26, регулируется пружиной 34 (фиг.7). Благодаря этому осуществляется индивидуальное натяжение каждой нити. The rotation of the winding coils 23 is carried out from the spline shaft 20 through spurious gears 24 (Fig.6) and connected with gears 25, mounted on shafts 26 (Fig.7), on which mandrels 27 with flat springs 28 are placed at both ends for fixing cartridges on mandrels. Gears 25 mounted on shafts 26 and spurious gears 24 rotating on axles 29 are mounted on bases 30 mounted on a carriage rod 31 consisting of a rod and two bars 32 with rollers 33 (Fig. 8). The torque transmitted to the winding coils 23 through the friction from the shafts 26 is regulated by a spring 34 (Fig.7). Due to this, individual tension of each thread is carried out.

Перемещение системы вращающихся намоточных катушек 23 вдоль их осей вращения осуществляется возвратно-поступательным перемещением каретки с основаниями 30 с помощью винтового барабанчика 22, который при своем вращении перемещает ползун 35. Ползун 35 помещен в паз тяги 31, который препятствует его вращению вокруг барабанчика 22, и имеет палец, скользящий по канавке нарезки барабанчика 22, имеющего правую и левую резьбу. Ползун, совершающий возвратно-поступательное перемещение, двигает каретку с роликами 33 по направляющей 36, которая закреплена на двух планшайбах 37, смонтированных на корпусе 14 (фиг.3,4). The system of rotating winding coils 23 is moved along their rotational axes by reciprocating the carriage with the bases 30 using a screw drum 22, which during its rotation moves the slider 35. The slider 35 is placed in the groove of the rod 31, which prevents its rotation around the drum 22, and has a finger sliding along the groove of the cutting drum 22 having a right and left thread. The slider, making a reciprocating movement, moves the carriage with rollers 33 along the guide 36, which is mounted on two faceplates 37 mounted on the housing 14 (Fig.3,4).

На планшайбах 37 (фиг.3 и 4) смонтирована система разводки жгутов, состоящая из распределительных роликов 38 и 39 с канавками на наружной поверхности, в которые помещены нити, и местных раскладчиков нити 40 с одной канавкой для укладывания нитей на намоточные катушки. On the face plates 37 (FIGS. 3 and 4), a harness routing system is mounted, consisting of distribution rollers 38 and 39 with grooves on the outer surface into which the threads are placed, and local thread spreaders 40 with one groove for laying the threads on winding spools.

Процесс модификации поверхности волокнистых материалов на заявленной установке осуществляется следующим образом. The process of surface modification of fibrous materials on the claimed installation is as follows.

При подготовке к работе волокнистый материал, намотанный предварительно в виде навоя на катушку, помещается в приспособление протяжки 1, и волокно в виде навойной ленты сначала протягивается под валиком 7, а затем с помощью роликов 8 и 9 равномерно распределяется в двух уровнях в реакторе 2. После этого с помощью специального приспособления (не показано) волокно протягивается через реактор на сборно-разводящее устройство 5, соответственно, нити нижнего уровня на ролики 12 и верхнего на ролики 13, с помощью которых они разводятся на два ручья в обоих уровнях и через соединительный патрубок 41 поступают на ролики 38 в узле накопления, затем на ролики 39 и распределяются через ролики 40 с одной канавкой на соответствующую намоточную катушку 23, на которых и закрепляются. После чего приспособление протяжки и узел накопления герметично закрываются, а установка вакуумируется и подается вода на охлаждение реакционной камеры 2. In preparation for operation, the fibrous material, previously wound in the form of a navoi on a spool, is placed in the broach device 1, and the fiber in the form of a backing tape is first stretched under the roller 7, and then with the help of rollers 8 and 9 is evenly distributed in two levels in the reactor 2. After that, using a special device (not shown), the fiber is pulled through the reactor to a collecting and distributing device 5, respectively, the lower level filaments on the rollers 12 and the upper on the rollers 13, with which they are bred into two streams in oih levels and through a connecting pipe 41 fed to the rollers 38 in the accumulation node, and then on the rollers 39 and rollers 40 distributed across the one corresponding groove on the winding reel 23, on which are fixed. After that, the broaching device and the accumulation unit are hermetically closed, and the installation is evacuated and water is supplied to cool the reaction chamber 2.

Приспособление протяжки волокна осуществляет протяжку волокнистого материала с заданной скоростью, которая определяется необходимой толщиной покрытия на волокне. Включается нагреватель реакционной камеры и по программе, также в зависимости от требуемого состава осаждаемого покрытия, выводится на соответствующую температуру. Fiber broaching device pulls fibrous material with a given speed, which is determined by the required coating thickness on the fiber. The heater of the reaction chamber is turned on and according to the program, also depending on the required composition of the deposited coating, it is displayed at the appropriate temperature.

В процессе осаждения покрытия осуществляется непрерывный контроль параметров процесса: температуры, давления, скорости подачи волокнистого материала в реакционную лампу, расхода исходных компонентов. Процесс заканчивается после нанесения покрытия на все исходное волокно. Затем осуществляется последовательное отключение функциональных блоков: механизма транспортировки, нагревателя реактора, подачи реагентов и, по охлаждении реактора до комнатной температуры, последовательно перекрываются вакуумные задвижки, отключается вакуум-насос, водяное охлаждение, установка разгерметизируется и перезагружается. In the process of coating deposition, the process parameters are continuously monitored: temperature, pressure, feed rate of the fibrous material into the reaction lamp, and the flow rate of the starting components. The process ends after coating the entire source fiber. Then, the functional blocks are sequentially turned off: the transportation mechanism, the reactor heater, the supply of reagents, and, after cooling the reactor to room temperature, the vacuum valves are sequentially closed, the vacuum pump, water cooling are turned off, the installation is depressurized and rebooted.

Claims

1. Installation for surface modification of carbon fibrous materials in a gas atmosphere, containing a heated flow chamber for the initial reaction gases, and a fiber broaching device, including a fiber material supply unit having feed rollers mounted offset from each other in a vertical plane, an accumulation unit and a drive characterized in that the pair of feed rollers has annular grooves on the surface, the rollers of this pair being fixedly fixed on the rotation axes and additionally tionary offset from each other in a horizontal plane.

2. Installation according to claim 1, characterized in that the device for broaching fibrous material is additionally equipped with a prefabricated node located in front of the accumulation node.

3. Installation according to claims 1 and 2, characterized in that the storage unit is made in the form of a fixed plan washer, at least one base installed with the possibility of reciprocating plane-parallel movement, a system of winding spools, each of which is equipped with a thread spreader, while the winding coils are located on the base around the circumference with the possibility of rotation, and the layers on the plan washer.