RU2780174C1 - Способ изготовления двумерно армированного углерод-карбидного композиционного материала на основе углеродного волокнистого наполнителя со смешанной углерод-карбидной матрицей - Google Patents
Способ изготовления двумерно армированного углерод-карбидного композиционного материала на основе углеродного волокнистого наполнителя со смешанной углерод-карбидной матрицей Download PDFInfo
- Publication number
- RU2780174C1 RU2780174C1 RU2021119399A RU2021119399A RU2780174C1 RU 2780174 C1 RU2780174 C1 RU 2780174C1 RU 2021119399 A RU2021119399 A RU 2021119399A RU 2021119399 A RU2021119399 A RU 2021119399A RU 2780174 C1 RU2780174 C1 RU 2780174C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- carbon
- carbide
- temperature
- pitch
- matrix
- Prior art date
Links
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 24
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 title claims abstract description 19
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 15
- 239000000945 filler Substances 0.000 title claims abstract description 10
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 title abstract description 22
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 title abstract description 21
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 16
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims abstract description 12
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims abstract description 12
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims abstract description 12
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 claims abstract description 11
- 229920002451 polyvinyl alcohol Polymers 0.000 claims abstract description 11
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims abstract description 10
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 claims abstract description 10
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims abstract description 9
- 230000003014 reinforcing Effects 0.000 claims abstract description 9
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 7
- 230000001681 protective Effects 0.000 claims abstract description 6
- 239000000725 suspension Substances 0.000 claims abstract description 6
- 238000000137 annealing Methods 0.000 claims abstract description 4
- 238000003763 carbonization Methods 0.000 claims description 11
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 claims description 9
- 229910007946 ZrB Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 238000005087 graphitization Methods 0.000 claims description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 abstract description 9
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 abstract description 8
- 238000003754 machining Methods 0.000 abstract description 6
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 6
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 abstract description 2
- 239000003208 petroleum Substances 0.000 abstract description 2
- 229910007948 ZrB2 Inorganic materials 0.000 abstract 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 abstract 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000002657 fibrous material Substances 0.000 abstract 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 abstract 1
- 239000011295 pitch Substances 0.000 description 17
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 description 14
- 239000004744 fabric Substances 0.000 description 11
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 9
- 238000005470 impregnation Methods 0.000 description 8
- 239000004372 Polyvinyl alcohol Substances 0.000 description 7
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 7
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 7
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N Silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- CREMABGTGYGIQB-UHFFFAOYSA-N carbon carbon Chemical compound C.C CREMABGTGYGIQB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000011203 carbon fibre reinforced carbon Substances 0.000 description 6
- 239000011294 coal tar pitch Substances 0.000 description 6
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 6
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 6
- QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N zirconium Chemical compound [Zr] QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 229910003465 moissanite Inorganic materials 0.000 description 5
- 229910026551 ZrC Inorganic materials 0.000 description 4
- 230000003078 antioxidant Effects 0.000 description 4
- 239000003963 antioxidant agent Substances 0.000 description 4
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 4
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 4
- 239000000571 coke Substances 0.000 description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 238000011049 filling Methods 0.000 description 3
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 3
- 229920001568 phenolic resin Polymers 0.000 description 3
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 description 3
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 3
- 239000011253 protective coating Substances 0.000 description 3
- 239000002296 pyrolytic carbon Substances 0.000 description 3
- 238000004804 winding Methods 0.000 description 3
- 210000001787 Dendrites Anatomy 0.000 description 2
- 229910034327 TiC Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 description 2
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 description 2
- -1 carbon-silicon Chemical compound 0.000 description 2
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 2
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 2
- 238000007731 hot pressing Methods 0.000 description 2
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- UGHSGZIDZZRZKT-UHFFFAOYSA-N methane;zirconium Chemical compound C.[Zr] UGHSGZIDZZRZKT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000003345 natural gas Substances 0.000 description 2
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000001590 oxidative Effects 0.000 description 2
- 239000005011 phenolic resin Substances 0.000 description 2
- KXGFMDJXCMQABM-UHFFFAOYSA-N 2-methoxy-6-methylphenol Chemical compound [CH]OC1=CC=CC([CH])=C1O KXGFMDJXCMQABM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910010055 TiB Inorganic materials 0.000 description 1
- XJDNKRIXUMDJCW-UHFFFAOYSA-J Titanium tetrachloride Chemical class Cl[Ti](Cl)(Cl)Cl XJDNKRIXUMDJCW-UHFFFAOYSA-J 0.000 description 1
- 239000012298 atmosphere Substances 0.000 description 1
- 239000001913 cellulose Substances 0.000 description 1
- 229920002678 cellulose Polymers 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 238000009833 condensation Methods 0.000 description 1
- 230000005494 condensation Effects 0.000 description 1
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 description 1
- 230000005712 crystallization Effects 0.000 description 1
- 239000012153 distilled water Substances 0.000 description 1
- 230000003628 erosive Effects 0.000 description 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 1
- 239000005002 finish coating Substances 0.000 description 1
- 238000006062 fragmentation reaction Methods 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 1
- 239000012210 heat-resistant fiber Substances 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 description 1
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 150000001247 metal acetylides Chemical class 0.000 description 1
- 150000002736 metal compounds Chemical class 0.000 description 1
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000012299 nitrogen atmosphere Substances 0.000 description 1
- ISWSIDIOOBJBQZ-UHFFFAOYSA-N phenol group Chemical group C1(=CC=CC=C1)O ISWSIDIOOBJBQZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000006253 pitch coke Substances 0.000 description 1
- 229920002239 polyacrylonitrile Polymers 0.000 description 1
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 238000004321 preservation Methods 0.000 description 1
- 230000002787 reinforcement Effects 0.000 description 1
- 229920005989 resin Polymers 0.000 description 1
- 239000011347 resin Substances 0.000 description 1
- 238000009738 saturating Methods 0.000 description 1
- 150000003377 silicon compounds Chemical class 0.000 description 1
- 239000011863 silicon-based powder Substances 0.000 description 1
- 238000003892 spreading Methods 0.000 description 1
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N tin hydride Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 210000001519 tissues Anatomy 0.000 description 1
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 1
Images
Abstract
Изобретение относится к области создания углерод-карбидных конструкционных и теплозащитных материалов, работающих в условиях высоких температур и окислительных сред, а также к области создания и производства углеродных материалов на основе углеродных тканей и может быть использовано в химической, нефтяной и металлургической промышленности, а также в авиакосмической технике и энергетике для создания изделий и элементов конструкций, подвергающихся воздействию агрессивных сред. Способ изготовления двумерно армированного углерод-карбидного композиционного материала на основе углеродного волокнистого наполнителя со смешанной углерод-карбидной матрицей включает последовательные процессы выкладки каркаса заготовки, пропитки заготовки расплавленным пеком, карбонизации в герметизированном контейнере в аппарате высокого давления и графитации в вакууме с повторением этих операций до получения материала с плотностью 1,9 г/см3. Перед выкладкой армирующего каркаса углеродный волокнистый материал предварительно промазывают шликерным раствором, содержащим суспензию порошка высокотемпературного пека и карбидообразующего компонента Si, ZrВ2 фракции ≤300 мкм в водном 5% растворе поливинилового спирта (ПВС), с последующей сушкой собранного каркаса. Кроме этого после механической обработки в размер готового изделия на его рабочие поверхности наносят вышеуказанный шликер с последующей сушкой и отжигом при температуре выше температуры образования карбида или осаждается защитное карбидное покрытие требуемой толщины из паровой фазы использованного карбидообразующего элемента Si, Zr. Технический результат - полученный композит характеризуется наибольшей термопрочностью, при этом исключено отслоение покрытия от матрицы. 1 з.п. ф-лы, 5 пр., 1 табл., 3 ил.
Description
Изобретение относится к области создания углерод-карбидных конструкционных и теплозащитных материалов, работающих в условиях высоких температур и окислительных сред, а также к области создания и производства углеродных материалов на основе углеродных тканей и может быть использовано в химической, нефтяной и металлургической промышленности, а также в авиакосмической технике для создания изделий и элементов конструкций, подвергающихся воздействию агрессивных сред.
Известен способ получения углерод-карбидокремниевого композиционного материала (1) (Патент РФ №2626501), отличающегося тем, что он имеет объемно-армированную структуру на основе многонаправленных стержневых каркасов (n = 3, 4 …, где n - число направлений армирования) из углеродного волокна и комплексную углерод-карбидокремниевую матрицу, получаемую из углеводородов в процессе их карбонизации при атмосферном давлении или изостатически под давлением, насыщения заготовок пироуглеродом, высокотемпературной обработки, предварительного силицирования и повторного силицирования после мехобработки с целью образования на поверхности сплошного противоокислительного покрытия, а также способ получения аналогичного материала в котором силицирование (предварительное и повторное) углерод-углеродной заготовки объемно-армированной структуры может проводиться любым известным способом, при плотности заготовок под силицирование в пределах от 1,60 до 1,95 г/см3 в зависимости от конечного использования материала.
Технологическая схема производства углерод-карбидокремниевого композиционного материала на основе многонаправленного армирующего стержневого каркаса включает:
- изготовление углеродных стержней из углеродной нити и сборку многонаправленного каркаса, при этом каркас собран из отдельных стержней, каждый из которых представляет собой собранную в несколько сложений нить из углеродного волокна, пропитанную водным раствором поливинилового спирта (ПВС), пропущенную через ряд фильер для придания формы стержня с круглым или эллиптическим сечением и отвержденную;
- пропитку каркаса пеком и карбонизацию при атмосферном давлении;
- насыщение заготовки пироуглеродом;
- пропитку пеком и изостатическую карбонизацию под давлением, достаточным для принудительной пропитки наиболее мелкой пористости углерод-углеродной заготовки, которая может проводиться, в том числе в герметизированном контейнере в аппарате высокого давления;
- высокотемпературную обработку (ВТО) при температуре, достаточной для кристаллизации пироуглерода, в случае его осаждения, а также достижения уровня истинной плотности пекового кокса выше 2,1 г/см3, и образования поровых каналов в комплексной углеродной матрице;
- предварительное силицирование углерод-углеродной заготовки;
- механическую обработку заготовки в целевую деталь;
- повторное силицирование после мехобработки с целью образования на поверхности сплошного противоокислительного покрытия.
К недостаткам технологии относится принципиальная невозможность пропитки кремнием заготовок толщиной более 5-6 см и углеродной основы материала с плотностью выше 1,80 г/см3. В процессе насыщения низкоплотной основы в образовании карбида может участвовать армирующая нить, фрагментация которой приводит к снижению предела прочности при растяжении. Именно для защиты углеродных стержней авторы предлагают проводить процедуру пироуплотнения заготовки.
Известен способ изготовления изделий из композиционного материала с упрочненными армирующим элементом и матрицей (варианты) (2) (Патент РФ №2728740). Согласно способу, формируют каркас структуры 2,5 D на основе тканевых заготовок из длинномерных жаростойких волокон типа углеродных и карбидокремниевых. При наборе пакета тканевых заготовок между ними прокладывают целлюлозную бумагу. Пакет требуемой толщины прошивают углеродной или карбидокремниевой нитью и пропитывают водным раствором соединения, катализирующего процесс роста углеродных нанотрубок или волокон. Затем каркас сушат и пропитывают коксообразующим связующим, после чего формуют пластиковую заготовку, придавая тем самым форму и размеры будущему изделию. Полученную пластиковую заготовку карбонизуют в инертной среде при нагреве до 800-850°С, обеспечивая образование кокса и рост углеродных нанотрубок или волокон в межволоконных порах каркаса и в межфиламентных порах волокон, а также в порах кокса. Затем, при необходимости, заготовку из карбонизованного пластика подвергают высокотемпературной обработке и насыщают пироуглеродом. Для получения карбидокремниевой матрицы проводят силицирование заготовки паро-жидкофазным методом.
К недостаткам этого материала следует отнести его сравнительно невысокую плотность до и после силицирования (1,61 и 1,82 г/см3) из-за затрудненного проникновения паров кремния через слои ткани, что обусловливает относительно низкую прочность материала и невозможность изготовления толстостенных изделий. Применение непрерывной карбидокремниевой нити в настоящий момент затруднено в связи с ее почти полным отсутствием на рынке.
Известен способ изготовления заготовок из углерод-углеродных композиционных материалов (3) (Патент РФ №2422407), данный способ принят за прототип. Способ изготовления углерод-углеродных композиционных материалов плотностью 1,2-2,1 г/см3 включает нанесение защитных покрытий на углеродный наполнитель и/или пропитку его углеродсодержащими составами, изготовление модулей из сгруппированных в заданном порядке волокнистых углеродных наполнителей, при этом толщина стенки модуля равна, как минимум, толщине углеродного наполнителя. Затем осуществляют сборку каркаса путем сложения модулей в единый пакет с последующим холодным или горячим прессованием и/или прошивкой нитью или стержнями по одной из координат заготовки, совпадающей или не совпадающей с ориентацией наполнителя в модуле, до плотности 0,1-0,8 г/см3, получают УУКМ путем насыщения каркаса пироуглеродом в среде газообразных или жидких углеводородов.
Способ предполагает возможность нанесения защитных покрытий Mo, Zr, Al2O3, TiC, ZrC, Nb2N, TiN, TiB2, ZrB2, HfB2, SiC, Si. В примере 6 на углеродную ткань УТ-900(ЗУ-240) при нагреве до 900-1200°С в среде природного газа и смеси хлоридов кремния и титана наносят комбинированное защитное покрытие (SiC+TiC), приращение веса составляет при этом 10-15% (поверхностная плотность ткани увеличивается до 260-270 г/м2). Ткань с защитным покрытием пропитывают связующим на основе фенольно-формальдегидной смолы (СФК) и нарезают на заготовки заданного размера (100×100 мм), которые помещают в оснастку, обеспечивающую сохранение размеров каждой заготовки и возможность ее физико-химической обработки. Полученные модули сушат при температуре 90-130°С, пропитывают каменноугольным пеком (200-240°С) и карбонизуют в атмосфере азота (900-1200°С). Пропитку пеком и карбонизацию модулей проводят трижды, после чего модули пропитывают связующим на основе смолы ФН и собирают в каркас путем горячего прессования (190-240°С). Полученный каркас плотностью 0,6-0,8 г/см3 карбонизуют (900-1000°С) в среде азота и насыщают пироуглеродом термоградиентным методом при температуре 900-1100°С в среде природного газа 220 часов. Полученную заготовку УУКМ карбонизуют при 1000-1200°С и наносят покрытие Si из расплава в ванне при 1200-1400°С.
Недостатками способа является следующее:
- при насыщении ткани, кремний и титан, образуя карбиды, реагируют с углеродными нитями, деформируя и утончая их и снижая, таким образом, прочность композита;
- при пропитке связующим, в воздух рабочей зоны выделяются фенольные пары, что приводит к ухудшению условий труда работников;
- даже при использовании термоградиентного метода, проникновение метана в объем материала затруднено, пироуглерод, а затем и SiC образуется только на поверхности заготовки;
- в процессе эксплуатации любое финишное покрытие, кроме SiC, отслаивается от матрицы УККМ из-за разницы коэффициентов термического линейного расширения (КТЛР).
Задачей предлагаемого изобретения является производство двумерно армированного углерод-карбидного композиционного материала на основе тканевого пакета с предварительно введенной основой карбидной матрицы.
Поставленная задача решается тем, что в способ изготовления двумерно армированного углерод-карбидного композиционного материала на основе углеродного волокнистого наполнителя со смешанной углерод-карбидной матрицей, который включает последовательные процессы пропитки заготовки расплавленным пеком, карбонизации в герметизированном контейнере в аппарате высокого давления и графитации в вакууме с повторением этих операций до получения материала с плотностью 1,9 г/см3, перед выкладкой армирующего каркаса, углеродный волокнистый материал предварительно промазывают шликерным раствором, содержащим суспензию порошка высокотемпературного пека и карбидообразующего компонента, например Si, ZrB2, фракции ≤ 300 мкм в водном 5% растворе поливинилового спирта (ПВС), с последующей сушкой собранного каркаса. А после механической обработки в размер готового изделия на его рабочие поверхности наносится вышеуказанный шликер с последующей сушкой и отжигом при температуре выше температуры образования карбида или осаждается защитное карбидное покрытие требуемой толщины из паровой фазы использованного карбидообразующего элемента, например Si, Zr.
Предлагаемый способ получения двумерно армированного углерод-карбидного композиционного материала включает следующие отличительные операции:
- подготовку шликерного раствора, с целью получения требуемой вязкости раствора, предлагается в 5% раствор ПВС замешивать 5-10% по массе смеси порошков высокотемпературного пека и карбидообразующего компонента. Порошки пека и карбидообразующего металла, например - кремния, или соединений металла, например - диборида циркония, предварительно размалываются до фракции ≤ 300 мкм Фракция порошков выбрана с целью максимально равномерного нанесения шликера на углеродную тканную основу - ткань или ленту. При этом соотношение пека и карбидообразующего компонента необходимо подбирать по стехиометрическому составу карбида с тем, чтобы при его образовании не был задействован армирующий наполнитель. Например, с целью получения карбид-циркониевой матрицы с применением диборида циркония учитывая, что коксовый остаток высокотемпературного каменноугольного пека составляет около 50%, соотношение в смеси пека к дибориду циркония по массе должно быть 1/5;
- нанесение на углеродную тканный материал, полученный карбонизацией полиакрилонитрила (ПАН) промазыванием шликерный раствор;
- выкладку тканевого пакета требуемой толщины или намотку тканевых слоев на графитовую бобину до требуемого диаметра производят по любому известному способу;
- сушку заготовки проводят при температуре 20-130°С, то есть ниже температуры плавления пека до полного удаления влаги, а именно до прекращения падения массы;
- проведение циклов заливки высокотемпературным пеком - пропитки и карбонизации под давлением (ПКД) - высокотемпературной обработки в вакуумной печи (ВТО), проводится аналогично способу [1], до получения плотности заготовки не ниже 1,9 г/см3;
- механическую обработку заготовки в целевую деталь проводят известными методами;
- нанесение покрытия на рабочие поверхности детали проводят вышеуказанным шликером с последующей сушкой при температуре 20-130°С до полного удаления влаги и отжигом в вакуумной печи или в коксовой засыпке в муфельной печи при температуре выше температуры образования карбида;
- нанесение защитного карбидного покрытия проводят известным парофазным методом, то есть путем конденсации паров примененного ранее металла на поверхности детали.
Предлагаемый способ позволяет получить композиционный материал, который имеет в своем составе углеродные и карбидные компоненты, прочность которых увеличивается с ростом температуры вплоть до 2000°С, благодаря этому полученный композит характеризуется наибольшей термопрочностью из имеющихся сегодня конструкционных материалов. На поверхности полученный материал имеет сходные карбидные компоненты, благодаря чему покрытие не отслаивается от матрицы при эксплуатации, а переходит в тугоплавкий оксид с высокой эрозионной стойкостью. Полученный композит имеет максимальную плотность и минимальную пористость, что приводит к повышению абляционной стойкости и исключает диффузионное проникновение окисляющей рабочей среды в объем композита.
Примеры конкретного выполнения, осуществленные на стандартном оборудовании АО «НИИграфит»:
Пример 1
Лоскуты 140×180 мм равновесной - со сходными характеристиками по утку и основе углеродной ткани - УТ-3К-Саржа 2/2-285-100 промазывают суспензией порошка высокотемпературного каменноугольного пека фракции ≤ 300 мкм в растворе ПВС, приготовленном из расчета 150-200 г ПВС на (3000±50) мл дистиллированной воды с выдержкой при температуре 150-200°С в течение 5-6 часов. Производят выкладку слоев ткани в специальные приспособления струбцины (фиг. 1) с расположением основы в одном направлении. Сушку заготовок проводят в муфельной печи при температуре 150°С в течение 12 часов. Заготовки заливают высокотемпературным каменноугольным пеком (ВЗ) с последующей пропиткой - карбонизацией под давлением в аппарате высокого давления (ПКД). Далее осуществляют высокотемпературную обработку (ВТО) в вакуумной печи с целью частичной графитации матрицы. Циклы ВЗ-ПКД-ВТО повторяют до достижения плотности более 1,9 г/см3. Изготавливают образцы для физико-механических и теплофизических испытаний.
Пример 2
Нарезают ленты ткани шириной 270 мм, длиной 6000 мм; осуществляют их промазку как в примере 1, с одновременной намоткой на бобины (фиг. 2) таким образом, чтобы у заготовок в форме панелей и у образцов в виде цилиндров, получаемых намоткой, была сходная структура. Ткань закрепляют углеродной конструкционной нитью УКН/5000. Далее технология изготовления образцов аналогична, приведенной в примере 1.
Пример 3
Пример 3 отличается от примера 1 тем, что в раствор ПВС кроме порошка пека, вводят порошок кремния технической чистоты фракции ≤ 300 мкм, а после механической обработки в размер на образцы наносят из паровой фазы карбидокремниевое покрытие. Весовое соотношение пека и кремния рассчитывают с учетом того, чтобы в матрице после карбонизации пека соблюдалось соотношение углерода к кремнию более стехиометрического - избыток углерода в матрице необходим для предотвращения деструкции углеродных нитей при образовании SiC.
Пример 4
≤ 300 мкм, а после механической обработки в размер на образцы наносят из паровой фазы карбидокремниевое покрытие аналогично примеру 3.
Пример 5
Пример 5 отличается от примера 1 тем, что в раствор ПВС кроме порошка пека, вводят порошок диборида циркония ZrB2 технической чистоты фракции ≤ 300 мкм, а после механической обработки в размер на образцы наносят из паровой фазы карбид-циркониевое покрытие известным термодиффузным способом - ВТО (выше 1000°С) в засыпке порошком ZrB2. Весовое соотношение пека и диборида циркония рассчитывают с учетом того, чтобы в матрице после карбонизации пека соблюдалось соотношение углерода к цирконию более стехиометрического - избыток углерода в матрице необходим для предотвращения деструкции углеродных нитей при образовании ZrC.
Состав и характеристики углерод-углеродных (УУКМ) и углерод-карбидных (УККМ) композиционных материалов, полученных по технологиям из примеров 1-5 приведены в таблице 1. Внешний вид образцов, предназначенных для испытаний в высокоэнтальпийных газовых потоках, показан на фиг. 3.
Выводы
Представленный способ позволяет получать двумерно армированные углерод-карбидные композиционные материалы путем промазки слоев армирующего наполнителя суспензией смеси порошков каменноугольного пека и карбидообразующего компонента в водном растворе поливинилового спирта. Вросшие в поры композита дендриты карбида закрепляют, нанесенную шликерным способом или осаждаемую из паровой фазы защитную антиокислительную пленку.
Технологический процесс выгодно отличается от прототипов с использованием фенольных смол отсутствием испарения вредных веществ в воздух рабочей зоны.
Выводы
Представленный способ позволяет получать двумерно армированные углерод-карбидные композиционные материалы путем промазки слоев армирующего наполнителя суспензией смеси порошков каменноугольного пека и карбидообразующего компонента в водном растворе поливинилового спирта. Вросшие в поры композита дендриты карбида закрепляют, нанесенную шликерным способом или осаждаемую из паровой фазы защитную антиокислительную пленку.
Технологический процесс выгодно отличается от прототипов с использованием фенольных смол отсутствием испарения вредных веществ в воздух рабочей зоны.
Источники информации:
1. Патент РФ №2626501 от 28.07.2017, з. №2015140597 от 24.09.2015 С04В 35/80(2006.01), С04В 35/577(2006.01).
2. Патент РФ №2728740 от 30.07.2020, з. №2019118837 от 17.06.2019 С04В 35/83(2006.01).
3. Патент РФ №2422407 от 27.06.2011, з. №2008136197/03 от 09.09.2008, С04В 35/83(2006.01).
Claims (2)
1. Способ изготовления двумерно армированного углерод-карбидного композиционного материала на основе углеродного волокнистого наполнителя со смешанной углерод-карбидной матрицей, включающий последовательные процессы выкладки каркаса заготовки, пропитки заготовки расплавленным пеком, карбонизации в герметизированном контейнере в аппарате высокого давления и графитации в вакууме с повторением этих операций до получения материала с плотностью 1,9 г/см3, отличающийся тем, что перед выкладкой армирующего каркаса углеродный волокнистый материал предварительно промазывают шликерным раствором, содержащим суспензию порошка высокотемпературного пека и карбидообразующего компонента Si или ZrB2 фракции ≤ 300 мкм в водном 5% растворе поливинилового спирта (ПВС), с последующей сушкой собранного каркаса.
2. Способ изготовления двумерно армированного углерод-карбидного композиционного материала на основе углеродного волокнистого наполнителя со смешанной углерод-карбидной матрицей по п. 1, отличающийся тем, что после механической обработки в размер готового изделия на его рабочие поверхности наносится шликер по п. 1 с последующей сушкой и отжигом при температуре выше температуры образования карбида или осаждается защитное карбидное покрытие требуемой толщины из паровой фазы использованного карбидообразующего элемента Si или ZrB2.
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2780174C1 true RU2780174C1 (ru) | 2022-09-20 |
Family
ID=
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2194682C2 (ru) * | 2001-01-09 | 2002-12-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Институт Термохимии" | Способ изготовления тонкостенных изделий из силицированного углеродного композиционного материала |
JP4076097B2 (ja) * | 1995-12-13 | 2008-04-16 | サノフイ−アベンテイス・エツセ・ピー・アー | (11β,16β)―21―(3―カルボキシ―3―オキソプロポキシ)―11―ヒドロキシ―2’―メチル―5’H―プレグナ―1,4―ジエノ[17,16―D]オキサゾール―3,20―ジオンの製造 |
RU2422407C2 (ru) * | 2008-09-09 | 2011-06-27 | Михаил Владимирович Василенко | Способ изготовления заготовок из углерод-углеродных композиционных материалов |
RU2626501C2 (ru) * | 2015-09-24 | 2017-07-28 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт конструкционных материалов на основе графита "НИИграфит" | Углерод-карбидокремниевый композиционный материал на основе многонаправленного армирующего стержневого каркаса |
RU2668431C2 (ru) * | 2013-07-23 | 2018-10-01 | Эракль | Способ получения деталей из композитного материала путем пропитки композицией с низкой температурой плавления |
CN112110748A (zh) * | 2020-08-28 | 2020-12-22 | 湖南东映碳材料科技有限公司 | 一种二维高导热C/C-ZrC-SiC复合材料的制备方法 |
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP4076097B2 (ja) * | 1995-12-13 | 2008-04-16 | サノフイ−アベンテイス・エツセ・ピー・アー | (11β,16β)―21―(3―カルボキシ―3―オキソプロポキシ)―11―ヒドロキシ―2’―メチル―5’H―プレグナ―1,4―ジエノ[17,16―D]オキサゾール―3,20―ジオンの製造 |
RU2194682C2 (ru) * | 2001-01-09 | 2002-12-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Институт Термохимии" | Способ изготовления тонкостенных изделий из силицированного углеродного композиционного материала |
RU2422407C2 (ru) * | 2008-09-09 | 2011-06-27 | Михаил Владимирович Василенко | Способ изготовления заготовок из углерод-углеродных композиционных материалов |
RU2668431C2 (ru) * | 2013-07-23 | 2018-10-01 | Эракль | Способ получения деталей из композитного материала путем пропитки композицией с низкой температурой плавления |
RU2626501C2 (ru) * | 2015-09-24 | 2017-07-28 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт конструкционных материалов на основе графита "НИИграфит" | Углерод-карбидокремниевый композиционный материал на основе многонаправленного армирующего стержневого каркаса |
CN112110748A (zh) * | 2020-08-28 | 2020-12-22 | 湖南东映碳材料科技有限公司 | 一种二维高导热C/C-ZrC-SiC复合材料的制备方法 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2084425C1 (ru) | Способ получения изделий из углерод-карбидокремниевого композиционного материала и углерод-карбидокремниевый композиционный материал | |
Dong et al. | Preparation of SiC/SiC composites by hot pressing, using Tyranno‐SA fiber as reinforcement | |
RU2094229C1 (ru) | Способ изготовления композиционного материала | |
US9611180B2 (en) | Method for manufacturing a part made of CMC | |
US20110171452A1 (en) | Procedure for making pre-impregnated reinforced composite, as well as fiber reinforced composite, and their application | |
US4515847A (en) | Erosion-resistant nosetip construction | |
US5067999A (en) | Method for providing a silicon carbide matrix in carbon-fiber reinforced composites | |
RU2337083C2 (ru) | Способ получения волокнисто-армированного углерод-карбидокремниевого композиционного материала | |
RU2668431C2 (ru) | Способ получения деталей из композитного материала путем пропитки композицией с низкой температурой плавления | |
US6447893B2 (en) | Fibrous composite material and process for producing the same | |
EP3124458A1 (en) | Improved uniformity of fiber spacing in cmc materials | |
DE3933039A1 (de) | Verfahren zur herstellung von oxidationsgeschuetzten cfc-formkoerpern | |
EP3124459A2 (en) | Improved uniformity of fiber spacing in cmc materials | |
RU2780174C1 (ru) | Способ изготовления двумерно армированного углерод-карбидного композиционного материала на основе углеродного волокнистого наполнителя со смешанной углерод-карбидной матрицей | |
JP2001192270A (ja) | 炭素繊維複合材料 | |
KR20200048314A (ko) | 화학기상증착을 이용한 SiC 나노와이어 균일 성장에 의한 고밀도의 탄화규소 복합체 제조 방법 및 이의 의해 제조된 탄화규소 복합체 | |
JP2518975B2 (ja) | 強化繊維及びマトリックスとの間に炭素中間相を有する耐熱複合材料の製造方法 | |
RU2684538C1 (ru) | Углеродкерамический волокнисто-армированный композиционный материал и способ его получения | |
Tai et al. | Nanofiber formation in the fabrication of carbon/silicon carbide ceramic matrix nanocomposites by slurry impregnation and pulse chemical vapor infiltration | |
RU2624707C1 (ru) | Способ изготовления герметичных изделий из композиционных материалов | |
EP0444426B1 (en) | Process for producing a silicon carbide whisker-reinforced silicon nitride composite material | |
JPH10167831A (ja) | SiC繊維強化Si−SiC複合材料及びその製造方法 | |
JP2013112561A (ja) | 平滑表面を有するセラミックス基複合部材およびその製造方法 | |
GB2250516A (en) | Fiber-containing composite | |
Buckley | Carbon-carbon composites |