RU2680992C2 - Огнеупорный высокопрочный композит (овк) и способ его изготовления - Google Patents
Огнеупорный высокопрочный композит (овк) и способ его изготовления Download PDFInfo
- Publication number
- RU2680992C2 RU2680992C2 RU2016105833A RU2016105833A RU2680992C2 RU 2680992 C2 RU2680992 C2 RU 2680992C2 RU 2016105833 A RU2016105833 A RU 2016105833A RU 2016105833 A RU2016105833 A RU 2016105833A RU 2680992 C2 RU2680992 C2 RU 2680992C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- layers
- metal
- composite
- refractory
- graphite
- Prior art date
Links
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 39
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 20
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 38
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 119
- 239000011888 foil Substances 0.000 claims abstract description 57
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 claims abstract description 51
- 239000010439 graphite Substances 0.000 claims abstract description 51
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 49
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 49
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 36
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 claims abstract description 29
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 claims abstract description 29
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 24
- 239000003870 refractory metal Substances 0.000 claims abstract description 23
- NFFIWVVINABMKP-UHFFFAOYSA-N methylidynetantalum Chemical compound [Ta]#C NFFIWVVINABMKP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 11
- 229910003468 tantalcarbide Inorganic materials 0.000 claims abstract description 11
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 claims abstract description 11
- GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N tantalum atom Chemical compound [Ta] GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 11
- 230000005684 electric field Effects 0.000 claims abstract description 5
- 150000002736 metal compounds Chemical class 0.000 claims abstract 3
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 claims description 4
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 claims description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 13
- 238000001953 recrystallisation Methods 0.000 abstract description 5
- 230000002730 additional effect Effects 0.000 abstract 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 61
- 239000010408 film Substances 0.000 description 16
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 11
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 9
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 8
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 8
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 8
- 125000004429 atom Chemical group 0.000 description 6
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 6
- 238000005097 cold rolling Methods 0.000 description 5
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 description 5
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 5
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 5
- 150000001247 metal acetylides Chemical class 0.000 description 5
- 229940102240 option 2 Drugs 0.000 description 4
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 4
- 239000011819 refractory material Substances 0.000 description 4
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 4
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 description 3
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 3
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 3
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 3
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 3
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 3
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 2
- 125000004432 carbon atom Chemical group C* 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 2
- 230000008034 disappearance Effects 0.000 description 2
- 238000004299 exfoliation Methods 0.000 description 2
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 2
- 238000009776 industrial production Methods 0.000 description 2
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 2
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 2
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 2
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 2
- 229910052702 rhenium Inorganic materials 0.000 description 2
- WUAPFZMCVAUBPE-UHFFFAOYSA-N rhenium atom Chemical compound [Re] WUAPFZMCVAUBPE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- 239000007858 starting material Substances 0.000 description 2
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 2
- 230000000930 thermomechanical effect Effects 0.000 description 2
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 2
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 description 2
- 235000015842 Hesperis Nutrition 0.000 description 1
- 235000012633 Iberis amara Nutrition 0.000 description 1
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001275 Niobium-titanium Inorganic materials 0.000 description 1
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 1
- 229910003481 amorphous carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 1
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 1
- -1 borides Chemical class 0.000 description 1
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000007872 degassing Methods 0.000 description 1
- 238000000407 epitaxy Methods 0.000 description 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 1
- 229910052735 hafnium Inorganic materials 0.000 description 1
- VBJZVLUMGGDVMO-UHFFFAOYSA-N hafnium atom Chemical compound [Hf] VBJZVLUMGGDVMO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- WHJFNYXPKGDKBB-UHFFFAOYSA-N hafnium;methane Chemical compound C.[Hf] WHJFNYXPKGDKBB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005098 hot rolling Methods 0.000 description 1
- 229910010272 inorganic material Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011147 inorganic material Substances 0.000 description 1
- 239000011229 interlayer Substances 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 238000011089 mechanical engineering Methods 0.000 description 1
- UNASZPQZIFZUSI-UHFFFAOYSA-N methylidyneniobium Chemical compound [Nb]#C UNASZPQZIFZUSI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 description 1
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010955 niobium Substances 0.000 description 1
- GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N niobium atom Chemical compound [Nb] GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RJSRQTFBFAJJIL-UHFFFAOYSA-N niobium titanium Chemical compound [Ti].[Nb] RJSRQTFBFAJJIL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 1
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 1
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 1
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 1
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 1
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
- 238000001771 vacuum deposition Methods 0.000 description 1
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B32—LAYERED PRODUCTS
- B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
- B32B18/00—Layered products essentially comprising ceramics, e.g. refractory products
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82B—NANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
- B82B3/00—Manufacture or treatment of nanostructures by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
- C01B32/15—Nano-sized carbon materials
- C01B32/182—Graphene
- C01B32/194—After-treatment
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
- C01B32/20—Graphite
- C01B32/21—After-treatment
-
- 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
- C04B35/536—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 based on expanded graphite or complexed graphite
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Geology (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Composite Materials (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Structural Engineering (AREA)
- Metal Rolling (AREA)
- Carbon And Carbon Compounds (AREA)
Abstract
Изобретения могут быть использованы при изготовлении материалов для аэрокосмической, ракетной и военной техники, а также для электронной промышленности. Огнеупорный высокопрочный композит (ОВК) образован как многослойная структура путем многопроходной пакетной прокатки (МПП) и состоит из повторения пакетов слоёв углерода в виде графита или графена, а также слоёв металлов, по крайней мере один из которых является тугоплавким, и/или соединений металлов, в состав которых входит минимум один тугоплавкий металл, и/или карбида тугоплавкого металла. Тугоплавким металлом и карбидом тугоплавкого металла является тантал и карбид тантала. Количество слоёв углерода равно 1000 или более на 1 мм толщины. Минимальные толщины слоёв углерода равны 1-3 моноатомным слоям и различны по всей толщине композита. Лист фольги металла загружают в вакуумную камеру через шлюз (1), проводят её предварительный отжиг (2) и холодную прокатку (3). При необходимости на фольгу или пакет осуществляют дополнительное воздействие (4) постоянным и/или переменным магнитным и/или электрическим полем, и/или давлением, и/или нагревом в течение циклов МПП, а также после последней прокатки. Затем фольгу или пакет разрезают (5). Графитовую фольгу подготавливают и предварительно отжигают в вакууме (6). Подготовленную таким образом графитовую фольгу накладывают на отрезанный кусок или пакет металлической фольги (7). После этого складывают и спрессовывают пакет (8) и выводят готовый композит (9) из вакуумной зоны через шлюз. Изобретения позволяют получить ОВК с высокими механическими, тепловыми, электрическими свойствами в промышленном масштабе и исключить его рекристаллизацию. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 7 ил.
Description
Цель изобретения: создание особо огнеупорного особо высокопрочного композита большого размера (по площади), и способ его промышленного производства.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ:
Данное изобретение относится к огнеупорным многослойным композитам и способу их производства, основанном на многопроходной (многократной, многоцикловой) пакетной прокатке (МПП).
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ:
Огнеупорные композиты относятся к конструкционным материалам, использующихся в военной и гражданской технике, а также, в производстве. Особо высокие требования по огнеупорности и прочности накладываются на материалы, используемые в аэрокосмической и ракетной технике: в двигателях (особенно, в сверхзвуковых и гиперзвуковых) и облицовке обтекателей носовых частей корпуса и крыльев гиперзвуковых летательных аппаратов и ракет, нагревающихся до высоких температур при полете в плотных слоях атмосферы на гиперзвуке.
Одним из типов огнеупорных композитов являются углеродные/графитовые композиты, применяемые там, где требуется еще и высокая удельная прочность.
- (Энциклопедия по машиностроению XXL - Оборудование, материаловедение, механика и… - Углерод-углеродные композиты (http://mash-xxl.info/info/634968/)).
Прочность графитовых композитов зависит от качества кристаллической структуры (в том числе, плотности, наличия пор и дефектов кристаллической решетки) и размеров гексагональных кристаллов (пленок) графита. Качество кристаллической решетки повышается если использовать ползучесть графита под действием механической нагрузки при высоких температурах - метод термомеханической обработки (ТМО). Добавки металлов-катализаторов (карбидообразователей: Ti, Zr, Si, В, Mo, N и др.) позволили ускорить процесс совершенствования структуры графита под давлением - термомеханохимическая обработка (ТМХО). ТМХО - это жидкофазный процесс, в котором перекристаллизация аморфного углерода в графит идет через расплав порошка углеродистого материала в металле.
- (РХТУ им Д.И. Менделеева - / ТОХФ /1 группа (ХТУМ) / ХТУМ - Бухаркина - 1998 / Carbon2.doc (http://www.studfiles.ru/preview/578152/page:2/)).
Из-за протекания процесса ТХМО в жидкой фазе, атомы металла - карбидообразователя не образуют сплошной плотный металлический слой, а включены в расплав. Методы ТМО и ТХМО воспроизводятся только в одном слое и при высокой температуре.
На сегодня не известно о создания многослойных материалов с количеством чередующихся слоев чистого графита порядка тысячи и более на 1 мм толщины, разделенных слоями тугоплавких металлов.
Потенциально перспективным элементом композитов может стать графен - двумерный гексагональный кристалл углерода, толщиной в один - два атома (предел прочности на разрыв - около 130 ГПа). Большие перспективы у графена в создании элементов электроники.
Однако, до сих пор не существует технологических методов получения монокристаллов графена высокого качества большой площади. На сегодня, получаемые методом отслоения - отшелушивания, «чешуйки» (монокристаллы) наиболее качественного графена имеют размеры нескольких миллиметров. Другими методами, в том числе - газофазной эпитаксией углерода на подложки, или выращиванием из жидкой фазы, удается создать больших размеров только поликристаллическую пленку.
Аналоги (ПРИМЕРЫ):
1. Графеновый бум: итоги - Поверенная Мария - НАНОМЕТР (26.10.2012 г.) -http://www.nanometer.ru/2012/10/26/13512365078102_298275.html - Статья подготовлена по материалам: К.S. Novoselov, V.I. Fal'ko, L. Colombo, P.R. Gellert, M.G. Schwab & K. Kim: A roadmap for graphene. Nature 490, 192-200 (11 October 2012).
2. Графен - http://ru.knowledgr.com/00560349/Graphene
3. Глава 3. Графен - http://refdb.ru/look/1906648-p3.html
4. В. Юдинцев - Графен. Наноэлектроника стремительно набирает силы - Электроника НТВ (6/2009) - http://www.electronics.ru/journal/article/269
На сегодня, все методы (из газовой или жидкой фазы) дают возможность создать только один поверхностный слой графена, а многократное повторение циклов роста дает возможность нарастить максимум несколько десятков слоев. На сегодня не существует методик создания многослойных структур с количеством чередующихся слоев графена порядка тысячи и более на 1 мм толщины.
Углеродные структуры (пленки, волокна) не устойчивы к окислению при повышении температуры выше 450°С. Следовательно, при сильном нагреве требуется защита от окисления воздухом.
Также, углеродные слои (пленки) в многослойном композите должны быть разделены друг от друга, чтобы не произошла межслоевая рекристаллизация углеродной структуры. Причем, разделяющий слой, также, должен быть огнеупорным и служить барьером, замедляющим (препятствующим) диффузию атомов углерода в направлении, перпендикулярном слоям углерода.
Огнеупорными материалами в композите могут служить тугоплавкие металлы (вольфрам, рений, тантал, молибден и другие) и их соединения (оксиды, карбиды, бориды, нитриды и другие).
Аналоги (ПРИМЕРЫ):
1. НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ, 2012, том 48, №3, с. 261-271 - ЗАЩИТНЫЕ ЖАРОПРОЧНЫЕ ПОКРЫТИЯ УГЛЕРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ © 2012 г. Л.А. Ткаченко, А.Ю. Шаулов, А.А. Берлин - (Институт химической физики им. Н.Н. Семенова Российской академии наук, Москва).
2. Патент РФ №2146187 от 22.09.1994 - Композит и способ его производства - http://www.freepatent.ru/patents/2146187
Наиболее привлекательным тугоплавким металлом является тантал - Та. Его температура плавления равна 2996-3017°С (уступает, из металлов, только рению - 3180°С и вольфраму - 3380-3410°С). Тантал является самым подходящим металлом так как, помимо высокой температуры плавления, обладает высокой пластичностью (его можно раскатывать в тончайшие пленки).
Аналоги (ПРИМЕРЫ):
1. Холодная прокатка металлов - file:///C:/Users/Lenovo/Desktop/Холодная%20прокатка%20Ta%20-%2021.01.15г..html
Одним из самых огнеупорных материалов является карбид тантала (ТаС), у которого температура плавления равна 3875-3880°С (уступает только графиту - 3845-3890°С, карбиду гафния - 3890°С, карбиду ниобия - 3900°С). При этом, чистый гафний и чистый ниобий имеют существенно меньшую температуру плавления, чем чистый тантал. У карбида тантала твердость по Моосу около 9.
Аналоги (ПРИМЕРЫ):
1. Патент РФ №2337899 от 07.02.2006 - Покрытый карбидом тантала углеродный материал и способ его получения - http://www.freepatent.ru/images/patents/128/2337899/patent-2337899.pdf
Создаются эти карбиды путем вакуумного напыления, или выращивания из газовой или жидкой фазы, с использованием химических реакций.
Количество чередующихся слоев этих карбидов подобными методами технически можно воспроизвести от одного до нескольких десятков.
Для получения более дешевых огнеупорных материалов с меньшими допустимыми температурами используются другие материалы и другие, более производительные, методы.
Одним из способов создания высокопрочных и огнеупорных материалов, а также, обладающих другими физическими свойствами, является создание многослойных структур с чередованием слоев определенных материалов.
Методом создания многослойных материалов, с доведением количеств слоев до тысяч и более, с одновременным уменьшением их толщин до долей микрона и нанометров, является многопроходная (многократная, многоцикловая) пакетная прокатка (МПП).
Аналоги (ПРИМЕРЫ):
1. ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2010. №5. Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (96), с. 89-94 - ПЕРСПЕКТИВЫ ПРОИЗВОДСТВА И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МИКРОЛАМИНАТОВ, ПОЛУЧАЕМЫХ ВАКУУМНОЙ ПРОКАТКОЙ - И.М. Неклюдов, В.А. Белоус, В.Н. Воеводин, С.Ю. Диденко, Н.И. Ильченко, Ю.С. Диденко, Ю.Н. Ильченко (Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт», Харьков, Украина).
2. Разработка технологического процесса производства нового класса конструкционных материалов листового сортамента с субмикрокристаллической и наноразмерной структурой, полученных на основе рядовых сталей и сплавов методом прокатки - file:///С:/Users/Lenovo/Desktop/Технология%20 многослойных%20наноструктур%20сталей.html
3. Патент РФ №2367043 C1 от 21.08.2008 - СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МНОГОСЛОЙНОГО ЛЕНТОЧНОГО НАНОСТРУКТУРНОГО КОМПОЗИТА НА ОСНОВЕ СВЕРХПРОВОДЯЩЕГО СПЛАВА НИОБИЙ-ТИТАН - http://www.freepatent.ru/images/patents/96/2367043/patent-2367043.pdf
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ:
Огнеупорный высокопрочный композит (ОВК):
Предлагается: многослойный композит с количеством повторяющихся комбинаций плоских слоев тысяча и более на 1 (один) мм толщины, каждая комбинация слоев которого состоит из: слоя тугоплавкого металла, слоя карбида этого металла, слоя углерода в виде моноатомных слоев графита/ графена, слоя карбида тугоплавкого металла и слоя тугоплавкого металла.
Слои углерода (графита, графена) имеют гексагональную структуру и являются прочностной структурой (основой) композита. При этом, защищенные и зажатые с двух сторон тугоплавкими слоями металла и карбида тонкие углеродные слои устойчивы к рекристаллизации и внешнему окислению, и не изгибаются под воздействием магнитных и электрических полей.
Плоские гексагональные слои графита и графена слабо связаны между собой и соседними слоями. Поэтому, невзирая на различные коэффициенты термического расширения карбида и углеродных слоев, при нагреве нет больших сдвиговых напряжений между слоями. А в случае, если и сам металл будет пластичен, то на границах металл - карбид сдвиговые напряжения при нагреве, также будут малы.
Из-за слабости Ван-дер-ваальсовых связей между гексагональными слоями графита/ графена трещинообразование (в том числе, по причине внешнего воздействия), в направлении перпендикулярно слоям, будет слабым. Одновременно с этим, наличие сильных ковалентных связей вдоль гексагональных слоев графита/графена может быть использовано при изготовлении брони.
Пленки графена обладают уникальными механическими, физическими и другими свойствами (в том числе: по проводимости и подвижности электронов). В случае доведения в единой структуре композита количеств не рекристаллизирующих слоев графена до большого числа (например, тысяча и более на 1 мм толщины) эти свойства также усилятся и, вероятно, появятся новые свойства.
Предлагаемый ОВК больших размеров (тем более, что одновременно предлагается способ его промышленного изготовления) станет одним из самых перспективных материалов для электроники.
Максимальные параметры композита по жаропрочности и прочности могут быть достигнуты при использовании в качестве тугоплавкого металла и его карбида тантала (Та) и карбида тантала (ТаС). Для удешевления композита могут быть использованы такие металлы, как титан (Ti) и другие.
Способ его изготовления:
Предлагается: холодная многопроходная (многократная, многоцикловая) пакетная прокатка (МПП) в вакууме, первоначальный пакет в которой состоит из слоя (фольги) тугоплавкого металла или сплава, слоя (фольги) графита и еще одного слоя (фольги) тугоплавкого металла или сплава (того же самого), а все последующие пакеты образуются путем сложения разрезанных, наложенных друг на друга и прокатанных пакетов предыдущего цикла.
Пленки карбида металла образуются за счет взаимной диффузии атомов на границе углерода и металла во время холодной прокатки и/или при последующем нагреве.
Нагрев для образования карбида может производиться при определенных циклах прокатки, или по окончанию всех циклов прокатки, или вообще не производиться.
Для увеличения доли углерода в композите, при складывании пакетов в определенных циклах МПП дополнительно добавляются слои (фольги) графита еще один или несколько раз. Так как предполагается, что добавляемая при последовательных циклах МПП графитовая фольга будет одна и та же (из одного рулона), то толщины углеродных слоев в композите, по окончании все циклов прокатки, будут разные, так как разным будет количество обжатий (прокаток) добавляемых слоев графита.
За время всего процесса МПП, с утончением слоев при каждом цикле, толщина самых тонких слоев чистого углерода (с учетом расхода углерода на образование слоев карбида) доводится до одного - трех гексагональных одноатомных слоев.
Для стимулирования превращения гексагональных слоев графита в гексагональные пленки графена, и получения этих пленок больших размеров («сшивки» малых пластин в большие пленки), и/или для получения дополнительных физических (механических, электрических, магнитных, оптических и др.) свойств на композит, на определенных стадиях в процессе изготовления может быть дополнительно оказано воздействие постоянным и/или переменным магнитным и/или электрическим полем, и/или повышенным давлением, и/или нагревом.
Для получения высоких качеств и хорошей воспроизводимости композита исходные материалы (фольги металла и графита) берутся наивысшей чистоты (желательно, порядка 99,99%).
Весь технологический процесс проводится в вакууме, так как при прокатке в вакууме тантал обладает наибольшей пластичностью и минимально насыщается посторонними примесями.
ПЕРЧЕНЬ ФИГУР
Структура ОВК, без соблюдения масштаба и соотношениятолщин слоев (фольг): Обозначения: Me - металл; С - углерод (графит/графен); МеС - карбид металла; Пунктир - плоскости контакта первичных пакетов, образованных при первом цикле МПП.
Структуры с одинаковыми толщинами углеродных слоев (без дополнительного добавления фольги графита):
Фиг. 1 - После холодной многопроходной пакетной прокатки, до нагрева;
Фиг. 2 - После нагрева, с частичным переходом металла (или сплава) в его карбид (-ы);
Фиг. 3 - После нагрева, с переходом всего металла (-ов) в его карбид (-ы).
Структуры с разными толщинами углеродных слоев (с дополнительным добавлением фольги графита):
Фиг. 4 - После холодной многопроходной пакетной прокатки, до нагрева;
Фиг. 5 - После нагрева, с частичным переходом металла (или сплава) в его карбид (-ы);
Фиг. 6 - После нагрева, с переходом всего металла (-ов) в его карбид (-ы).
Способ его изготовления:
Фиг. 7 - Схема (маршрут) многопроходной пакетной прокатки - технологические этапы:
1. - загрузка листа фольги металла в вакуумную камеру через шлюз;
2. - предварительный отжиг фольги;
3. - холодная прокатка;
4. - дополнительное, при необходимости, физическое воздействие на фольгу (пакет);
5. - резка фольги (пакета);
6. - подготовка фольги графита, ее предварительный отжиг в вакууме;
7. - наложение фольги графита на отрезанный кусок металлической фольги (пакет), за исключением одного куска фольги, на который графитовая фольга не накладывается;
8. - сложение пакета, спрессовка пакета;
9. - выход готового композита из вакуумной зоны через шлюз.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ.
Предлагаемый композит (ОВК) является:
Вариант-1: многослойной структурой, состоящей из большого количества чередующихся очень тонких слоев углерода, в виде пленок графита/графена и пленок тугоплавкого металла и/или сплава (Фиг. 1; Фиг. 4).
Вариант-2: многослойной структурой, состоящей из большого количества чередующихся очень тонких слоев углерода, в виде пленок графита/графена, и пленок тугоплавкого металла и/или сплава, а также, пленок тугоплавкого (-их) карбида (-ов) тугоплавкого (-их) металла (-ов) (Фиг. 2; Фиг. 5).
Вариант-3: многослойной структурой, состоящей из большого количества чередующихся очень тонких слоев углерода, в виде пленок графита/графена и тугоплавкого карбида (-ов) металла (-ов) (Фиг. 3; Фиг. 6).
Плотность слоев - тысяча и более на 1 мм толщины.
В качестве тугоплавкого металла и его карбида предлагается тантал (Та) и карбид тантала (ТаС).
Предлагаемый способ изготовления ОВК, технологические этапы.
Для создания большого количества тонких слоев используется метод (технология) многопроходной пакетной прокатки (МПП).
Стандартная (распространенная) МПП является методом горячей прокатки, а также, при составлении пакетов перед их прокаткой, производится, как правило, сварка собранного пакета, которая также происходит при нагреве, как минимум, внешних, контактирующих друг с другом, поверхностей складывающихся слоев (фолы).
Для создания многослойной структуры из очень тонких слоев (толщина некоторых из которых может доходить (уменьшаться) до одного - трех атомов) большой нагрев структуры при каждом цикле прокатки не допустим, так как из-за тепловой диффузии атомов происходит «рассасывание» (исчезновение) очень тонких слоев углерода.
По этой причине предлагается использовать метод холодной прокатки (холодная МПП).
Нагрев до высоких температур при изготовлении ОВК по Варианту-2 и Варианту-3 допустим только по окончании всех циклов МПП, а при каждом цикле нагрев возможен только небольшой. Этот нагрев и его продолжительность зависят от конкретной структуры и применяемых материалов.
Чтобы уменьшить (исключить) полное «рассасывание» (исчезновение) очень тонких углеродных слоев, количество углерода (толщину фольги графита) нужно брать с некоторым избытком по отношению к количеству металла (толщины металлической фольги) так, чтобы даже при задействовании всего количества атомов металла в образовании карбидов (любой стехиометрии), оставалось незадействованное в образовании карбидов количество атомов углерода, достаточное для образования, как минимум, одного - трех атомных слоев чистого углерода в каждом пакете.
При изготовлении ОВК по Варианту-1 существенный нагрев недопустим во всех циклах МПП.
При существенном нагреве в процессе производства или эксплуатации структура ОВК по Варианту-1 переходит в структуру ОВК по Варианту-2, а при большом и/или длительном нагреве может перейти в ОВК по Варианту-3.
ОВК по Варианту-1 интересен тем, что фольга (пластина) из него легче сгибается по сравнению с ОВК по Варианту-2 и Варианту-3, так как не включает в себя твердые слои карбида.
После придания заготовки ОВК (Вариант-1) нужной формы и ее дальнейшего нагрева (отжига), с образованием твердых тугоплавких слоев карбида металла, форма заготовки жестко фиксируется.
Качество изготовления многослойного композита по методу МПП зависит, в том числе, от пластичности металла, которая, в свою очередь, зависит от чистоты металла. Поэтому, исходные материалы (фольги металла и графита) берутся наивысшей чистоты (99,95-99,99%%).
Металлическая фольга перед началом МПП дополнительно очищается от примесей путем отжига при температуре (если использовать в качестве металла тантал) 2200-2600°С.
Отжиг и весь процесс МПП проводить в высоком вакууме (давление - порядка 1×10-7 мм рт.ст.).
Фольга графита должна быть без связующих веществ. Перед наложением на металл (пакет) ее также следует отжечь в вакууме при температуре 2000°С.
Наложение графитовой фольги на металлическую (или предыдущий пакет) можно сделать, как вариант, путем накатки.
После сложения, перед прокаткой, пакет спрессовывается (без нагрева).
Рекристаллизация углерода в «идеальные» гексагональные кристаллы и «сшивка» малых кристаллов в большие пленки происходит во время последнего цикла МПП перед выходом из вакуумной зоны - «финишная» обработка, путем дополнительного воздействия на композит.
Технологические этапы (Фиг. 7):
1. Загрузка куска фольги тугоплавкого металла определенных размеров через шлюзовую камеру в вакуумную камеру предварительной подготовки (отжига).
2. В камере отжига, после откачки воздуха, производится отжиг (обезгаживание) фольги в высоком вакууме (порядка 1×107 мм рт. ст.) при температуре немного ниже температуры плавления (для тантала: отжиг при температуре 2200-2600°С) с дальнейшим остыванием фольги до температуры, близкой к комнатной.
3. Многовалковый вакуумный стан холодной прокатки, где фольга (или сложенный пакет) прокатывается с кратным (например, двукратным) увеличением длины.
4. Во время прокатки или после нее на прокатываемый (прокатанный) лист фольги (пакета), по необходимости, оказывается дополнительное физическое воздействие в виде постоянного и/или переменного магнитного и/или электрического поля, и/или нагрева, и/или давления.
5. Участок разрезания прокатанного листа фольги (пакета) на несколько (например, два) кусков.
6. Предварительная подготовка графитовой фольги с обезгаживанием (отжигом в вакууме при температуре порядка 2000°С).
7. Наложение (вариант - накатывание) графитовой фольги на подаваемый кусок металлической фольги (пакета).
Первый цикл МПП:
- если при прокатке удлинение фольги было двукратным и, соответственно, количество разрезанных кусков было два, то один кусок металлической фольги не покрывается графитовой фольгой;
- если при прокатке удлинение фольги было многократным и, соответственно, на столько же кусков прокатанная фольга была разрезана, то не покрывается графитовой фольгой только один (например, первый или последний) кусок металлической фольги.
Последующие циклы МПП:
- если требуется равенство всех слоев углерода (графита/графена) по всей толщине композита, то дополнительное наложение графитовой фольги не производится (Фиг. 1 - Фиг. 3);
- если, помимо сверхтонких слоев графита/графена требуются наличие в ОВК еще и более толстых слоев графита, то производится дополнительное наложение графитовой фольги, аналогично, как при первом цикле МПП, на прокатанные и разрезанные куски пакета в соответственных последующих циклах МПП (Фиг. 4 - Фиг. 6).
8. Образование пакета, путем сложения чередующихся фолы металла или многослойных пакетов, полученных в предыдущем цикле МПП, с наложением фольги графита, и этих же фольг (многослойных пакетов) без фольги графита. Спрессовка сложенного пакета.
9. Выход композита из вакуумной зоны через шлюзовую камеру.
Технологическое оборудование производства ОВК следует размещать в вакуумных камерах с постоянной откачкой.
Камеры (зоны) предварительной подготовки (отжига) фольг металла и графита должны отделяться от основной вакуумной технологической зоны вакуумными затворами (задвижками), чтобы выделяемые при отжиге газы не проникали туда и не загрязняли основную технологическую зону.
Claims (12)
1. Огнеупорный высокопрочный композит (ОВК), образованный как многослойная структура путем многопроходной пакетной прокатки (МПП), отличающийся тем, что состоит из повторения пакетов слоёв, состоящих из слоёв углерода (в виде графита или графена), а также слоев металлов, по крайней мере один из которых является тугоплавким, и/или соединений металлов, в состав которых входит минимум один тугоплавкий металл, и/или карбида тугоплавкого металла.
2. Композит по п. 1, отличающийся тем, что тугоплавким металлом и карбидом тугоплавкого металла является тантал и карбид тантала.
3. Композит по п. 1, отличающийся тем, что количество слоёв углерода равно 1000 (тысяче) или более на 1 (один) мм толщины.
4. Композит по п. 1, отличающийся тем, что минимальные толщины слоёв углерода равны 1-3 моноатомным слоям.
5. Композит по п. 1, отличающийся тем, что толщины слоёв углерода различны по всей толщине композита.
6. Способ изготовления композита, состоящего из повторения пакетов слоёв, состоящих из слоёв углерода (в виде графита или графена), а также слоев металлов, по крайней мере один из которых является тугоплавким, и/или соединений металлов, в состав которых входит минимум один тугоплавкий металл, и/или карбида тугоплавкого металла, полученного в процессе многопроходной пакетной прокатки (МПП), отличающийся тем, что первоначальный пакет состоит из трех слоев, внешние из которых являются металлами (в виде металлических фольг), как минимум один из которых является тугоплавким, а внутренний слой является графитовым (в виде графитовой фольги), а все последующие пакеты состоят из многослойных фольг, полученных в предыдущем цикле прокатки.
7. Способ по п. 6, отличающийся тем, что прокатка - холодная (без нагрева композита).
8. Способ по п. 6, отличающийся тем, что тугоплавким металлом является тантал.
9. Способ по п. 6, отличающийся тем, что между пакетами при их складывании, начиная со второго цикла сложения, однократно или несколько раз добавляется дополнительный слой графита (в виде фольги).
10. Способ по п. 6, отличающийся тем, что в процессе МПП количество слоёв углерода в композите доводится до 1000 (тысячи) или более на 1 (один) мм толщины.
11. Способ по п. 6, отличающийся тем, что в процессе МПП самые тонкие слои углерода (графита) утончаются (доводятся) до толщин в 1-3 моноатомных слоя.
12. Способ по п. 6, отличающийся тем, что на композит оказывают дополнительное физическое воздействие (постоянным и/или переменным магнитным и/или электрическим полем, и/или давлением, и/или нагревом) в течение циклов МПП, а также после последней прокатки (последнего цикла МПП).
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016105833A RU2680992C2 (ru) | 2016-02-19 | 2016-02-19 | Огнеупорный высокопрочный композит (овк) и способ его изготовления |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016105833A RU2680992C2 (ru) | 2016-02-19 | 2016-02-19 | Огнеупорный высокопрочный композит (овк) и способ его изготовления |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2016105833A RU2016105833A (ru) | 2016-07-10 |
| RU2680992C2 true RU2680992C2 (ru) | 2019-03-01 |
Family
ID=56372664
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2016105833A RU2680992C2 (ru) | 2016-02-19 | 2016-02-19 | Огнеупорный высокопрочный композит (овк) и способ его изготовления |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2680992C2 (ru) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107323030A (zh) * | 2017-06-19 | 2017-11-07 | 常州大学 | 一种轻金属基层状复合材料及其制备方法 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3404061A (en) * | 1962-03-21 | 1968-10-01 | Union Carbide Corp | Flexible graphite material of expanded particles compressed together |
| WO1998056734A1 (en) * | 1997-06-10 | 1998-12-17 | Ucar Carbon Technology Corporation | Flexible graphite composite article for protection against thermal damage |
| RU2367043C1 (ru) * | 2008-08-21 | 2009-09-10 | Учреждение Российской академии наук Институт физики твердого тела РАН | Способ изготовления многослойного ленточного наноструктурного композита на основе сверхпроводящего сплава ниобий-титан |
| RU2479382C1 (ru) * | 2012-02-29 | 2013-04-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения Российской академии наук | Способ получения многослойных энерговыделяющих наноструктурированных пленок для неразъемного соединения материалов |
-
2016
- 2016-02-19 RU RU2016105833A patent/RU2680992C2/ru active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3404061A (en) * | 1962-03-21 | 1968-10-01 | Union Carbide Corp | Flexible graphite material of expanded particles compressed together |
| WO1998056734A1 (en) * | 1997-06-10 | 1998-12-17 | Ucar Carbon Technology Corporation | Flexible graphite composite article for protection against thermal damage |
| RU2367043C1 (ru) * | 2008-08-21 | 2009-09-10 | Учреждение Российской академии наук Институт физики твердого тела РАН | Способ изготовления многослойного ленточного наноструктурного композита на основе сверхпроводящего сплава ниобий-титан |
| RU2479382C1 (ru) * | 2012-02-29 | 2013-04-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения Российской академии наук | Способ получения многослойных энерговыделяющих наноструктурированных пленок для неразъемного соединения материалов |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| С.Ю. ДЕЛЬГАДО РЕЙНА и др., Исследование структуры многослойного материала на основе нержавеющих сталей, полученного методом горячей пакетной прокатки, Вектор науки ТГУ, 2013, no. 3, с.с. 153-156. * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2016105833A (ru) | 2016-07-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Chaudhari et al. | Titanium aluminide sheets made using roll bonding and reaction annealing | |
| Alizadeh et al. | Fabrication of nanostructured Al/Cu/Mn metallic multilayer composites by accumulative roll bonding process and investigation of their mechanical properties | |
| Chen et al. | The evolution of microstructures and mechanical properties during accumulative roll bonding of Al/Mg composite | |
| Xu et al. | Growth of intermetallic layer in multi-laminated Ti/Al diffusion couples | |
| Talebian et al. | Manufacturing Al/steel multilayered composite by accumulative roll bonding and the effects of subsequent annealing on the microstructural and mechanical characteristics | |
| US10737311B1 (en) | Integrated method for forming and performance control of NiAl alloy thin-walled tubular parts | |
| El Mahallawy et al. | Microstructure evolution and mechanical properties of Al/Al–12% Si multilayer processed by accumulative roll bonding (ARB) | |
| Alizadeh et al. | Properties of high specific strength Al–4 wt.% Al2O3/B4C nano-composite produced by accumulative roll bonding process | |
| Liu et al. | Achieving superior high-temperature strength and oxidation resistance of TiAl nanocomposite through in situ semicoherent MAX phase precipitation | |
| Hausöl et al. | Tailoring materials properties by accumulative roll bonding | |
| Kim et al. | Reaction synthesis and microstructures of NiAl/Ni micro-laminated composites | |
| Lazurenko et al. | Metal-intermetallic laminate Ti-Al 3 Ti composites produced by spark plasma sintering of titanium and aluminum foils enclosed in titanium shells | |
| Brunelli et al. | The effect of prolonged heat treatments on the microstructural evolution of Al/Ni intermetallic compounds in multi layered composites | |
| Li et al. | Synthesis and microstructure of Ti3AlC2 by mechanically activated sintering of elemental powders | |
| Luo et al. | Processing gamma-based TiAl sheet materials by cyclic cold roll bonding and annealing of elemental titanium and aluminum foils | |
| US7311873B2 (en) | Process of direct powder rolling of blended titanium alloys, titanium matrix composites, and titanium aluminides | |
| Kuk et al. | Effects of the Al/Ni ratio on the reactions in the compression-bonded Ni-sputtered Al foil multilayer | |
| Anghelus et al. | Microstructural evolution of aluminium/Al–Ni–Sm glass forming alloy laminates obtained by Controlled Accumulative Roll Bonding | |
| Zhang et al. | Production of a high strength Al/(TiAl3+ Al2O3) composite from an Al-TiO2 system by accumulative roll-bonding and spark plasma sintering | |
| RU2680992C2 (ru) | Огнеупорный высокопрочный композит (овк) и способ его изготовления | |
| Kiani et al. | In situ transmission electron microscopy observations of room-temperature plasticity in sub-micron-size TaC (100) and TaC (011) single crystals | |
| Wang et al. | Bio-inspired laminated graphite nanosheets/copper composites | |
| Lin et al. | Interfacial microstructure of Ti3AlC2 and Al2O3 oxide scale | |
| Ding et al. | The thermal instability mechanism and annealed deformation behavior of Cu/Nb nanolaminate composites | |
| Tan et al. | Effects of Ti foil thickness on microstructures and mechanical properties of in situ synthesized micro-laminated TiC/Ti composites |