SK288690B6

SK288690B6 - Kompozit na vedenie tepla s vysokoteplotnou odolnosťou

Info

Publication number: SK288690B6
Application number: SK50091-2015A
Authority: SK
Inventors: Štefan Kavecký; Pavol Štefánik; Karol Iždinský; František Simančík
Original assignee: Ústav Materiálov A Mechaniky Strojov Sav
Priority date: 2015-12-28
Filing date: 2015-12-28
Publication date: 2019-08-05
Also published as: EP3398192A1; US10755821B2; EP3398192B1; SK500912015A3; US20190006050A1; WO2017115105A1

Abstract

Kompozit na vedenie tepla s vysokoteplotnou odolnosťou medzi horúcim a chladeným povrchom je tvorený aspoň dvoma zložkami, z ktorých jednu tvoria podlhovasté segmenty (1) s teplotou tavenia vyššou ako 1 300 °C, ktoré sú navzájom od seba oddelené výplňou (2) s vyššou tepelnou vodivosťou a teplotnou rozťažnosťou, ktorá je v bezprostrednom kontakte s chladiacim médiom v kanáli (3). Obidve zložky sú v priamom kontakte s horúcim prostredím obklopujúcim kompozit, pričom celková plocha, ktorú tvoria segmenty (1), tvorí 50 % až 95 % celkovej plochy horúceho povrchu kompozitu. Pozdĺžna os segmentu (1) je prednostne orientovaná v smere najkratšej úsečky spájajúcej horúci povrch s chladeným povrchom kompozitu s odchýlkou do 45°, pričom v smere od horúceho až k chladenému povrchu môže pretínať najviac jedno rozhranie medzi zložkami. Materiál segmentov môže byť volfrám, výhodne volfrám s prímesou oxidov La2O3 a/alebo Y2O3, a/alebo CeO2, a/alebo ThO2, a/alebo ZrO2. Matricou, výplňou (2) môže byť meď alebo striebro, alebo ich zliatiny.

Description

Vynález sa týka kompozitu, ktorý je schopný dlhodobo znášať vysoký tepelný tok, pričom odoláva aj vysokým teplotám Vynález opisuje novú štruktúru (architektúru) kompozitu, ktorá zabezpečuje účinný odvod tepla z povrchu kompozitu vystaveného vysokej teplote do chladenej časti tak, aby nedochádzalo k porušeniu materiálu ani pri opakovanom cyklickom teplotnom namáhaní a veľkom rozdiele teplôt, Konpozit s novou štruktúrou odoláva extrémnemu tepelnému zaťaženiu napríklad v stenách tepelných reaktorov, píazmatrónoch alebo v elektródach vytvárajúcich elektrický alebo plazmový oblúk.

Doterajší stav techniky

V rôznych priemyselných a výskumných oblastiach sa používajú zariadenia s extrémne horúcimi prostrediami. Aby sa takéto zariadenie mohlo v príslušnom prostredí dlhodobejšie prevádzkovať, musí byť teplo z extrémne horúcich povrchov materiálov bezprostredne obklopujúcich dané horúce prostredie efektívne odvádzané, aby nedošlo k ich nataveniu. Na tento účel sa zvyčajne využívajú kanály na rozvod chladiaceho kvapalného resp. plynného média (napr. voda, para, vzduch, hélium) umiestnené v určitej vzdialenosti od horúceho povrchu v tom istom alebo bezprostredne susediacom materiáli. Vzhľadom na vysoký rozdiel teplôt medzi horúcim povrchom a ochladzovaným povrchom kanálu vznikajú v materiáli, resp. v materiáloch napätia, veľkosť ktorých je priamo úmerná rozdielu teplôt medzi povrchmi, koeficientu teplotnej rozťažnosti materiál·!, modulu pružnosti materiálu a vzdialenosti medzi povrchmi. Pokiaľ veľkosť vnútorných napätí aj len lokálne prekročí medzi sklzu alebo pevnosť materiálu pri danej teplote, dochádza k jeho nevratnému poškodeniu, Rozdiel teplôt medzi horúcim a chladeným povrchom, teda medzi vonkajšou stranou materiálu, ktorá je určená na prestup tepla z okolia do materiálu, a vrstvou materiálu, ktorá je určená na odovzdávanie tepla, závisí od tepelnej vodivosti materiálu, resp. materiálov nachádzajúcich sa v smere tepelného toku. Hlavným problémom je, že materiály, ktoré majú vysokú teplotu tavenia a sú tak schopné odolávať vysokým teplotám, (napr. keramické materiály, grafit aiebo zliatiny vysokotaviteľných kovov, ako molybdén, volfrám a pod.) majú zvyčajne malú tepelnú vodivosť, vysoký' modul pružnosti a obťažne sa v nich vytvárajú chladiace kanály blízko horúceho povrchu, čo v prevádzke vedie k extrémne vysokým vnútorným napätiam a predčasnému poškoden iu.

Naopak materiály s vysokou tepelnou vodivosťou a nižším modulom pružnosti, ako napr. meď, hliník, striebro a ich zliatiny, majú pomerne nízku teplotu tavenia a v zariadeniach s pracovnou teplotou nad 1 200 °C sú samostatne prakticky nepoužiteľné. Navy še tieto materiály majú vysoký koeficient teplotnej rozťažnosti, čo pri ich relatívne nízkej pevnosti takisto vedie k predčasným poškodeniam v prípade veľkých teplotných gradientov a cyklického namáhania.

Súčasný stav techniky rieši uvedené problémy najmä nasledujúcimi spôsobmi:

- Chladiace kanály sa vytvárajú v materiáli s dobrou tepelnou vodivosťou, ktorý je na horúcom povrchu pokrytý kompaktnou vrstvou materiálu s vysokou teplotou tavenia, ktorej úlohou je znížiť extrémnu teplotu na úroveň, ktorá „chladiaci“'' materiál znesie. Pri tomto spôsobe je však odvod tepla stále limitovaný nízkou tepelnou vodivosťou tejto vrstvy, vysokými napätiami na rozhraní dvoch materiálov a vysokými napätiami vo vrstve v závislosti od jej hrúbky. Aby sa tieto napätia aspoň čiastočne eliminovali, býva niekedy ochranná vrstva v určitých vzdialenostiach narezaná.

- Pomocou rôznych spôsobov spevňovairía kovov s vysokou tepelnou vodivosťou (napr. disperzne rozmiestnenými jemnými keramickými časticami, legovaním s následným tepelným spracovaním, spevňujúcimi vláknami a pod.) sa zvyšuje ich pevnosť pri vysokej teplote a odolnosť proti extrémnym napätiam. Všetky tieto spôsoby však principiálne znižujú tepelnú vodivosť materiálu v smere tepelného toku a prakticky neriešia problém tnaxttnátaej teploty horúceho povrchu, ktorá je stále limitovaná teplotou tavenia základného matričného kovu. V prípade vláknami spevnených materiálov je možné niektoré požadované vlastnosti docieliť jednou zložkou kompozitu a iné vlastnosti druhou. Je známy napríklad kompozit volfrám - meď, ktorý je opísaný vo viacerých patentových zverejneniach, napríklad CN1031947J2 A, KR20120068116 A, CN104416973 A. Volfrám má oproti medi vysokú teplotu tavenia, neďm naopak podstatne vyššiu tepelnú vodivosť a menší modul pružnosti.

Zverejnený spis CN102615416 opisuje modul pre fúznv reaktor, ktorý je vyrábaný práškovou metalurgiou pri veľmi vysokom tlaku. Jeden diel CuCrZr a štyri diely volfrámu sú základom pre relatívne náročný a zdĺhavý postup výroby modulu.

Kompozit volfrám - meď podľa US2004195296 A1 na použitie vo fáznorn reaktore má laminovanú štruktúru. Medzi vrstvami vznikajú vysoké šmykové napätia spôsobené rozdielnou teplotnou rozťažnosťou a rozdielnymi teplotami v jednotlivých vrstvách.

Zverejnenie US 5,975,410 opisuje štruktúru kovovej kefy, ktorá zahŕňa teplovodivý substrát a štetiny odolné proti vysokým teplotám, pričom na vonkajšiu stranu sú vyústené len štetiny. Štetiny sú pripojené

S K 288690 B6 k substrátu v spojovacej rovine, čo nerieši problém vy s okých šmykových napätí, len presúva tento problém z vonkajšieho konca kovových štetín do spojovacej roviny štetín so substrátom

Známe riešenia nedosahujú dostatočnú životnosť kompozitu, pretože neriešia základný problém rozdielnej rozťažnosti horúceho povrchu a povrchu chladiaceho kanálu, čo vedie k vysokým vnútorným napätiam a predčasnému poškodeniu pri cyklickom namáhaní, najmä ak je rozdiel teplôt povrchov vysoký a vzdialenosť chladiaceho Itattálu od horúceho povrchu malá.

Je preto žiadané nové riešenie, ktoré poskytne vysokú životnosť, bezpečnosť a spoľahlivosť pri vysokej tepelnej vodivosti» pri vy s okom tepelnom toku.

Podstata vynálezu

Uvedené nedostatky v podstatnej miere odstraňuje kompozit navedenie tepla s vysokoteplotnou odolnosťou podľa nárokov 1 až 15. Nová architektúra kompozitu podľa tohto vynálezu spočíva v tom, že kompozit je tvorený aspoň dvoma zložkami, z ktotých prvá má teplotu tavenia vyššiu ako 1 300 °C (ďalej aj ako zložka HT - high tenperature) a druhá zložka (ďalej len zložka HC - high conductivity) má teplotu tavenia nižšiu ako prvá zložka HT a súčasne druhá zložka HC má tepelnú vodivosť a teplotnú rozťažnosť vyššiu ako zložka HT. Prvú zložku HT Ivona podlhovasté segmenty, ktoré sú navzájom od seba oddelené drahou zložkou HC, Kompozit je orientovaný tak, že má vonkajšiu stranu určenú na prestup tepla z okolia do hmoty kompozitu, vonkajšia strana je horúca stratia, teda stratia, ktorá je vystavená pôsobeniu vysokej teploty. Obe zložky, HT a HC, sú vyústené na vonkajšiu stranu, teda na horúcu stranu, sú v priamom, bezprostrednom kontakte s horúcim prostredím v okolí kompozitu. Kompozit má vrstvu určenú rta odovzdávanie tepla, výhodne na odovzdávanie tepla do c h ladiace h o média. Táto vrstva môže byť určená chladiacim kanálom, ktorý je vytvorený v k.ompozite. Materiál tvoriaci chladiaci katiál pritom môže pozostávať už len z drahej zložky, teda z materiálu s vysokou teplotnou vodivosťou, nie je však vylúčené, že k povrchu kanálu siahajú aj podlhovasté segmenty prvej zložky. Podlhovasté segmenty v kompozitu sú uložené lak, že jedny ich konce sú vyvedené na horúci povrch, druhé konce sú zavedené dovnútra kompozitu. Časť podlhovastého segmentu, zvyčajne čelo tohto podlhovastého segmentu, zvyčajne čelo tohto podlhovastého segmentu, tvorí časť plochy vonkajšej strany, ktorá je obklopená hotúcim prostredím Ostatná časť podlhovastého segmentu je uložená vo výplni, v podstate smeruje smerom k chladenej vrstve kompozitu.

Označenia „prvý“, „druhý“ v tomto spise slúžia len na odlíšenie dvoch materiálových zložiek, nemajú poradový význam ani neoznačujú dôležitejšiu alebo menej dôležitú zložku kompozitu. Z uvedeného dôvodu je potrebné tieto označenia vysvetľovať široko a s možnosťou vzájomnej zámeny, napríklad ako ,Jedna zložka kompozitu“ a „odlišná zložka kompozitu“.

Tepelný tok smeruje z vonkajšej strany, kde z okolia prestupuje teplo do hmoty kompozitu, teplo prechádza cez obe zložky kompozitu až do vrstvy, ktorá odovzdáva teplo von z. hmoty kompozitu, zvyčajne prostredníctvom chladiaceho média.

Povrch jedného podlhovastého segmentu prvej zložky HT, ktorý je v bezprostrednom kontakte s horúcim prostredím obklopujúcim kompozit, nesmie byť väčší ako 50 mm², výhodne by mal byť menší ako 10 mm², a celková plocha, ktorú tvoria podlhovasté segmenty prvej zložky HT, ktoré sú v bezprostrednom kontakte s horúcim prostredím kompozitu, musí tvoriť min imálne .50 % celkovej plochy' horäceho povrchu kompozitu, optimálne aspoň 75 %. Dĺžka podlhovastého segmentu prvej zložitý' HT ntusí byť minimálne dvojnásobná ako dĺžka najdlhšej úsečky, ktorú možno vložiť do prierezu podlhovastého segmentu v rovine horúceho povrchu kompozitu. Dĺžka podlhovastých segmentov je teda aspoň dvojnásobok najväčšieho rozmeru v priečnom priereze segmentu v rovine vonkajšej strany.

Pozdĺžni- os podlhovastého segmentu je prednostne orientovaná v smere najkratšej úsečky spájajúcej priesečník pozdĺžnej osi podlhovastého segmentu a horúceho povrchu kompozitu s povrchom chladiaceho kanála kompozitu. Od tohto smeru sa môže odchýliť max o 45°. Týmto usporiadaním sú podlhovasté segmenty orientované v smere vedenia tepla z vonkajšej strany k vrstve na odovzdávanie tepla alebo sa od tohto smeru odchyľujú najviac o 45°.

Opísaná geometria podlhovastých segmentov vedie k výhodnému usporiadaniu, kedy pozdĺžna os podlhovastého segmentu v smere od priesečníka s horúcim povrchom kompozitu až k chladenému povrchu kanálu môže pretínať maximálne jedno rozhranie s druhou zložkou HC. Vďaka tomu nie je vedenie tepla v hmote kompozitu sťažované viacnásobnýmprechodomcez medzné rozhrania prvej a druhej zložky.

Dôležitou črtou vynálezu je použitie zložiek najmenej z dvoch materiálov so zásadne odlišným; íýzikálno-chemickými vlastnosťami, pričom tieto zložky sú vo vrstve kompozitu rozmiestnené tak, aby materiál s lepšou tepelnou vodivosťou (prvá zložka HC) priamo spájal horúci povrch kompozitu s povrchom chladiaceho kanálu, čim sa zabezpečí vysoký odvod tepla z horúceho povrchu, a tak sa dosiahne významné zníženie rozdielu v teplotnej rozťažnosti medzi týmito povrchmi Na drahej strane vysoký plošný podiel materiálu

S K 288690 B6 s vysokou teplotou tavenia (prvá zložka HT) na horúcom povrchu kompozitu chráni tento povrch prednatavením

Malý prierez jednotlivých podlhovastých segmentov prvej zložky HT s menšou teplotnou rozťažnosťou, ako má druhá zložka HC na horúcom povrchu kompozitu, významne obmedzí možnosť tvorby trhlín na rozhraní, v dôsledku rozdielov v teplotnej rozťažnosti medzi jednotlivými zložkami.

Podiel prvej a druhej zložky ΗΓ/TIC sa smerom od horúceho povrchu k povrchu cb ladiaceho kanála môže znižovať, čim sa prirodzene vyrovnáva teplotná rozťažnosť vo vrstve medzi oboma povrchmi, pretože chladnejší povrch bude mať väčší koeficient teplotnej rozťažnosti ako horúci. Na zmenšenie podielu prvej zložky v jednotlivých vrstvách kompozitu sa. môže využiť štruktúra, v ktorej sú umiesi n en é rôzne dlhé podlhovasté segmenty, pričom naďalej platí, že tieto podlhovasté segmenty sú vyústené na horúcu vonkajšiu stranu, na vonkajšej strane teda majú zarovnané konce. Druhé konce podlhovastých segmentov zasahujú do rôznej hĺbky, do rôznych vrstiev tak, aby sa v jednotlivých vrstvách dosiahol požadovaný pomer prvej a druhej zložky HT/HC. Tým sa dá kompenzovať rôzna celková teplotná rozťažnosť spôsobená rôznou teplotou vo vrstvách kompozitu.

Ak v jednotlivých vrs tvách kompozitu 1, 2, 3 a 4 sú teploty Ti > Te> Ts> Ts a teplotná rozťažnosť CTEi < CTEi < CTEs < CTEí, môže sa v jednotlivých vrstvách dosiahnuť približne rovnaké celkové predĺženie v rovine kolmej na tepelný tok (JLt ~. zíL? « zlLí « zíLz). Takýto stav (obrázky 5 až 9) znižuje deformačné napätia. Je pritom vhodné, aby rozmiestnenie kratších a dlhších podlhovastých segmentov bolo rovnomerné, čo sa dá dosiahnuť tým, že postupne sa meniace dĺžky segmentov sa opakovane striedajú v oboch priečnych smeroch kompozitu.

Prvá zložka HT by mala mať extrémne vysokú teplotu tavenia. Konkrétna hodnota môže byť závislá od danej technickej aplikácie, bude to však hodnota vyššia ako 1 300 °C, výhodne vyššia ako 2 000 °C, obzvlášť výhodne vyššia ako 3 000 °C. Príkladom takéhoto materiálu je volfrám s teplotou tavenia 3 421,85 ^,?C, Prvá zložka HT v kompozite má za úlohu dodať kompozitu vysokú teplotnú odolnosť, je teda dôležité, aby ju teploty pri danej technickej aplikácii nenatavili Pivá zložka HT má s ohľadom na vysokú teplotu tavenia zvyčajne nižšiu tepelnú vodivosť, nižší koeficient teplotnej rozťažnosti a vyššiu pevnosť.

Podstatným znakom vynálezu je existencia podlhovastých segmentov prvej zložky HT, ktoré sú orientované v smere tepelného toku a navzájom sú oddelené druhou zložkou HC s vyššou tepelnou vodivosťou, vyšším koeficientom teplotnej rozťažností a obyčajne nižšou pevnosťou. Podlhovasté segmenty, elementy majú vo výhodnetnusporiadani dĺžku, ktorá presahuje päťnásobok, výhodne desaťnásobok ich hrúbky, čo vyjadruje ich hlavný tvarový charakter.

Podlhovasté segmenty budú mať' zvyčajne makroskopickú povahu, budú teda voľným okompozorovateľné v štruktúre kompozitu. Dĺžka podlhovastého segmentu bude približne, rádovo zodpovedať hrúbke vrstvy medzi chladiacim kanálom a povrchom, na ktorý sa privádza teplo. S ohľadom na rozdielne teploty na obidvoch povrchoch sú tieto povrchy potenciálne vystavené odlišnému teplotnému roztiahnutiu, čo možno výhodne eliminovať zvyšovaním koeficientu teplotnej rozťažnosti smerom k chladnejšiemu povrchu prostredníctvom zvyšovania podielu druhej zložky’ HC na úkor prvej zložky HT pomocou vhodného skracovania dĺžky niektorých podlhovastých segmentov prvej zložky HT. Druhá zložka HC v kompozite vypĺňa priestor medzi podlhovastými segmentmi prvej zložky HT. Je výhodné, ak má dobrú priľnavosť k prvej zložke HT a výbornú tepelnú vodivosť. Nižšia pevnosť a dobrá plasticita druhej zložky' HC pomáha znižovať úroveň vnútorných napätí na rozhraní medzi zložkami. Príkladom vhodného materiálu je meď. Ak: sa porovnajú tie chémie ko-fyzikálne vlastnosti volfrámu a medi, ktoré sú podstatné pre vysokoteplotné aplikácie -

	jednotka	volfrám	meď
teplota topenia	°C	3 421,85	1 084,
tepelná vodivosť	W.nrbKv¹	1'73	401
tepelná rozťažnosť	pmnr¹ .K	4,5	16,5
Youngovmodul	GPa	411	110
elektrický- odpor	níž.m	52,8	16,78

je vidno, že jednotlivé vlastnosti sú vzájomne odlišné, absolútne hodnoty týchto vlastnosti sa odlišujú aspoň dvojnásobne. To veľmi výhodne využíva predložený vynález, podľa ktorého bude zloženie kompozitu vo výhodnom usporiadaní zahŕňať volfrám a meď alebo volfrám a striebro, možné sú aj kombinácie ďalších materiálov.

Volfrám má vysokú tvrdosť, pevnosť a odolnosť proti iskrovému výboju, proti iskrovej erózii. Okrem čistého volfrámu sa môže ako prvá zložka HT použiť volfrám s primesou vzácnych zemín, napríklad s prúnesou oxidov LazOs, Y?Os, CeO?., ThO? alebo ZrOz. Tieto prines i zlepšujú mechanické vlastnosti volfrámu v oxidačnej a aj v inertnej atmosfére, pri použití v plazmattúnocb uľahčujú zapálenie aj stabilitu oblúka. Prímesi

S K 288690 B6 tiež znižujú krehkosť volfrámu pri níácych teplotách (duetile-to-brittle transition temperature DBTT 400-650 °C).

Podlhovasté segmenty sú v kompozite umiestnené zámerne orientovane, nejde teda o náhodne orientované častice, ako sú známe zo stavu techniky v prípade práškovo spekaného kompozitu. Podlhovasté segmenty sú uložené vzájomne priľahio, to znamená, že sú umiestnené vedľa seba, a oddelené sú zložkou HC, pričom sa ale môžu aj vzájomne dotýkať, nesmú však byť vzájomne difúzne spojené bez rozhrania s druhou zložkou HC. Sú orientované vzájomne rovnobežne, čo však nevylučuje, že nevzniknú určité uhlové technologické neoresnos ti.

Podlhovasté segmenty budú mať predovšetkým tvar tyčiek, kolíkov, drôtov, vlákien a. podobne. Podlhovasté segmenty v rámci štruktúry kompozitu budú mať zvyčajne rovnaký prierez, napríklad plný kruhový prierez. Prierez podlhovastých segmentov môže byť eliptický, hviezdicovitý, štvoruholníkový, viacuholníkový, výhodne šesťuholníkový. Podlhovasté segmenty v rámci jedného konpozitu môžu mať zhodný prierez a rozmer, ale môžu mať aj odlišný prierez a rozmer. Prierez podlhovastého segmentu môže byť konštantný po celej jeho dĺžke, ale môže bvť aj rozdielny. Podlhovastý segment môže mať driek s kruhovým prierezom a na horúcej strane bude podlhovastý segment zakončený šesťuholníkovou hlavou.

Bude výhodné, ak podlhovasté segmenty budú vyrobené valcovaním alebo ťahaním, čo okrem vysokej produktivity prináša dobré mechanické vlastnosti najmä v smere pozdĺžnej osi segmentu bez vnútorných porúch. Podlhovasté segmenty sa môžu vyrábať delením dlhších tyčí, drôtov, elektród a podobne.

Skutočnosť, že podlhovasté segmenty sú orientované v smere hlavného toku tepla alebo sú od tohto snení odchýlené v rozmedzí 0° až 45°, vyjadruje najvhodnejšiu orientáciu podlhovastých segmentov v rámci kompozitu. Pod hlavným tokom tepla sa mysli tok tepla, ktorý je primárne vyvolaný rozd ielom teplôt v smere medzi miestom s extrémne vysokou teplotou a chladenou vrstvou, najmä chladiacim kanálom. Podľa konkrétneho rozmiestnenia a veľkosti kanála môže byť tepelný tok v blízkosti kanála rôzne deformovaný. Rôzna geometria konštrukcie alebo aj výrobné nepresností môžu viesť k tomu, že v niektorých zónach je teplotný gradient nerovnomerný, ale hlavný tok tepla a smer tohto toku tým nebude podstatne ovplyvnený. Vektor tepelného toku na horúcej strane kompozitu bude pritom zvyčajne rovnobežný s orientáciou podlhovastých segmentov.

Druhá zložka HC vypĺňa priestor medzi podlhovastými segmentmi, tvorí plastickú kovovú výplň, ktorá vytvára matricu, mriežku nesúcu podlhovasté segmenty. Tie na horúcej stane kotnpozitu prechádzajú priamo na povrch, resp. z tohto povrchu môžu prečnievať. Ak je výplň z druhej zložky HC zarovnaná s čelami podlhovastých segmentov, môže pri silnom energetickom namáhaní dôjsť k jej erózii, k povrchovému odtaveniu alebo k odpareniu , čím vznikne na danom mieste malý kráter a podlhovasté segmenty budú z. povrchu jemne vyčnievaí'' (obrázok 4). Takýto proces a stav nie je problematický, dôležité je, že postupom času sa erózia druhej zložky HC prirodzene zastaví, pretože ju prečnievajúca prvá zložka HT začne efektívne tieniť. Druhá zložka HC bude však neustále v priamom kontakte s okolitým horúcim prostredím obklopujúcim kompozit. Pri niektorých aplikáciách je prítomnosť druhej zložky HC s n ižšou teplotou t avenia v rovine s prvou zložkou HT na povrchu nežiaduca, a preto sa proces prípravy kompozitu realizuje tak, aby podlhovasté segmenty od začiatku presahovali povrch kompozitu (maximálne do 1 - 2 mm). V inom vyhotovení môže úntyselne druhá zložka HC pri výrobe kompozitu zasahovať až k úrovni čiel podlhovastých segmentov, pričom počas prevádzky pri vysokej teplote sa druhá zložka HC začne postupne odparovať, čo vytvorí ablativne chladenie podlhovastých segmentov (výpamé teplo napríklad medi je 4 800 kJ/kg).

Druhá zložka HC vo výhodnom usporiadaní môže byť meď, striebro alebo ich zliatiny. Striebro má v porovnaní s volfrámom nasledujúce chemicko-fyzikáine vlastnosti:

	jednotka	volfrám	striebro
teplota topenia	^C'C	3 421,85	961,78
tepelná vodivosť	W.m'.K ¹	173	429
tepelná rozťažnosť	pmmró.Kró	4,5	18,9
Youngov modul	GPa	411	83
elektrický odpor	níl.m	52,8	15,87

Zložka HC bude objemovo predstavovať 5 až 50 % z celkového objemu kompozitu, je dôležité zabezpečiť rovnomerné a úplne vyplnenie medzier medzi podlhovastými segmentmi. S týmto cieľom sa môže použi!'' postup, pri ktorom sa druhá zložka HCrovnomerne nanesie na povrch podlhovastých segmentov ešte predtým, než sa tieto usporiadajú do štruktúry, teda predtým než sa zoradia vedľa seba. Polotovar na podlhovasté segmenty v podobe drôtu sa môže napríklad galvanický pokryť vrstvou druhého materiálu. Monovrstvy sa. môžu nanášať vo vákuu, v ochrannej atmosfére, bez použitia tlaku alebo s použitím tlaku. Môžu sa použiť technológie plazmového nástreku druhej zložky HC, nanášame fólii a podobne. Monovrstva sa môže naniesť ešte pred delením polotovaru na jednotlivé podlhovasté segmenty.

S K 288690 B6

Na dosiahnutie vysokej celkovej tepelnej vodivosti má kompozit usporiadanie, pri ktorom sa teplo vedie po dráhe s maximálne jedným prestupom cez medznú vrstvu tvorenú rozhraním dvoch zložiek kompozitu. Aby sa podporilo dosiahnutie vysokej repelnej vodivosti, je potrebné, aby teplo z prvej zložky HT bolo dobre odvádzané do druhej zložky. Toto rozhranie nemusí byť difúzne alebo metalurgický zvarené, postačuje dobrý' mechanickí' kontakt. Podlhovasté segmenty môžu byť pokryté vhodným povlakom, abv sa zlepšila kvalita prestupu tepla do druhej zložky.

Výhodou kompozitu so štruktúrou podľa tohto vynálezu je vysoká teplotná odolnosť, schopnosť bezpečne a dlhodobo prenášať veľké množstvo tepelnej energie pri vysokom teplotnom gradiente. Štruktúra sa relatívne jednoducho vytvára s využitím dostupných polotovarov a technológií a je veľmi odolná proti elektrickej erózii. Vysoká odolnosť pri zvýšených teplotách je sprevádzaná dosiahnutím bezpečnostných a prevádzkových limitov, ktoré podstatne prekonávajú doteraz známe technické riešenia.

Kompozit podľa tohto vynálezu sa môže vyrábať pomocou infiltrácie roztaveného kovu, resp. roztavenej zliatiny kovu (druhej zložky) vo vákuu alebo v inertnej atmosfére. Môže to byť infiltrácia bez použitia tlaku alebo s použitím tlaku na taveninu. Pri výrobe kompozitu sa môže tiež použiť lisovanie monovrstviev vo vákuu alebo v inertnej atmosfére pri teplotách nižších, ako je teplota tavenia kovu alebo zliatiny kovu. Mooovrstvy sa môžu pripraviť napríklad galvanickým pokrytím vrstvou druhej zložky alebo plazmovým nástrekom, pripadne aj v kombinácii s použitím fólii druhej zložky.

Kompozit s architektúrou podľa vynálezu je výhodne použiteľný v plazmatrónoch, v zariadeniach, ktoré produkujú vysokoenergetiekú plazmu. Tieto zariadenia využívajú elektrický oblúk zapálený medzi elektródami na vytvorenie plazmy, ionizujú plazmatvorné médium (vzduch, vodná para, Ar a pod.). Prúd plazmy s teplotou niekoľko tisíc stupňov Celzia je možné následne využiť na rezanie materiálov, rozklad biomasy, spracovanie odpadov (vrátime nebezpečných), rozrušovanie hornín pri bezkontaktnom hlbinnom vŕtaní. Pri tejto aplikácii kompozitu so štruktúrou podľa tohto vynálezu sa výhodne využije skutočnosť, že kompozitová. elektróda odoláva súčasnému pôsobeniu elektrickej erózie, zvýšenej' teploty a korózneho prostredia.

Kompozity so štruktúrou podľa vynálezu sa môžu rozsiahlo využiť v strojárstve, energetike, elektrotechnike a podobne. Typické aplikácie zahŕňajú vysoko-, stredne- aj nízkonapäťové ístiče, elektródy pre odporové zváranie, ako aj materiály elektród pre EDM zariadenia a materiály na odvod tepla z vysokoteplotnýcb reaktorov alebo energetických a elektronických zariadení.

Prehľad obrázkov sa výkresoch

Vynález je bližšie vysvetlený pomocou obrázkov 1 až 9. Použitá mierka medzi podlhovastými segmentmi a hrúbkou vrstvy kompozitu, ako aj medzi ostatnými časťami štruktúry je nezáväzná, informatívna alebo bola priamo upravená na zvýšenie prehľadností. Rovnako ilustratívne je konkrétne geometrické usporiadanie podlú ovastých s egmentov.

Na obrázku 1 je prierez kruhovou elektródou z kompozitu so štruktúrou volfrám - meď.

Obrázok 2 zobrazuje priestorový pohľad na výrez v kruhovej elektróde s rovnobežne uloženými podlhovastými segmentmi.

Na obrázku 3 je arono metrický' pohľad na blok z kompozitu s chladiacim kanálom. Prerušovanou čiarou sú zobrazené pod Ibovasté segmenty v prvej pohľade vej vrstve.

Na obrázku 4 je detail povrchu, kde je znázornené povrchové odparenie druhej zložky, ktorá tvorí výplň medzi podlhovastými segmentmi.

Obrázky 5 až 9 objasňujú kontrolovanie teplotnej rozťažnosti v jednotlivých vrstvách kompozitu v smere tepeiného toku. Zmena teplotnej rozťažnosti je nastavená prostredníctvom zmeny podielu prvej a druhej zložky, čo je realizované zmenou dĺžky podlhovastých segmentov.

Na obrázku 5 je bočný pohľad na podlhovasté segmenty, ktoré majú rôznu dĺžku, pričom všetky siahajú k vonkajšiemu povrchu. Označenia TI až T4 prináležia vrstvám, rovinám s rôznymi teplotami. Na obrázkoch 6 až 9 sú prierezy kompozitu vo vrstvách TI až T4, ktoré zobrazujú klesajúci podiel prvej zložky, na obrázku 9 je už v celom priereze len druhá zložka bez podlhovastých segmentov.

Príklady uskutočnenia vynák-zu

Príklad 1

Kompozit podľa tohto príkladu na obrázkoch 1 a 2 je súčasťou elektródy valcovitého tvaru s priemerom 33 mm Podlhovasté segmenty 1 sú z volfrámu s obsahom 2,0 % LaiOs. Polotovarom sú tyčky s priemerom 1,6 mm, ktoré sa najskôr pomed’ujú v bežnom mediacom síranovom galvanickom roztoku, čím sa vytvorí medená vrstva s hrúbkou 0,4 min. Potom sa tyčky delia na požadované rozmery od 15 do 22 mm a fixujú sa na dno íbmy tak, aby sa pri izostatickom lisovaní pri tlaku 100 MPa a teplote 900 °C neposunuli. Galvanie

S K 288690 B6 ky nanesená meď tvorí výplň 2 kompozitu. Zároveň sa pri tomto lisovaní spojí súbor podlhovastých segmentov 1 s valcom z medi, v ktorom je vytvorený kanál 3 na chladenie elektródy. Takto vytvorená elektróda sa použila ako katóda v plazmatróne používanom na rozrušenie hornín, v kiorotn mala mitmnáltie 3x vyššiu životnosť, ako doposiaľ používané materiály na výrobu elektród.

Príklad 2

Pozdĺžne segmenty 1 v tvare tyčiek z volfrámu s obsahom 2,0 % CesOs s priemerom 2,4 mm, ktorých dĺžka sa pohybovala v rozsahu 5 22 mm, boli uložené rovnobežne do grafitovej formy tak, aby boli zabezpečené proti posunutiu v priebehu infiltrácie roztaveným Cu «o vákuu p d teplote 1 200 °C. Rozličná dĺžka pozdĺžnych segmentov 1, ich vhodné usporiadanie (najmä orientácia osityčiekkolmo na povrch exponovaný žiarením a vysokou teplotou) a symetrické smerovanie proti chladiacemu kanálu v kompozite zabezpečia zvýšenie jeho odolnosti pri extrétnnotn zaťažení rôzny trs typmi žiarenia, V porovnaní s inými testovanými materiálmi (cyklické skúšky pri tepelnom zaťažení 20 MW/βγ) na aplikáciu v divertore skúšobného lužného reaktora takto pripravená vzorka s rozmerná 20 x 20 x 30 mm s kompozitom podľa vynálezu ako jediná vydržala skúšky bez výrazného porušenia. V porovnaní s používanou koncepciou divertora s W monoblokrni podľa patentu Plansee US 6,565,988 (Ploechl Laurenz) mala vzorka podľa tohto vynálezu o 20 % vyššiu životnosť.

Príklad 3

Drôt z čistého volfrámu s priemerom 1 tnm sa navinul ua bubon v jednej vrstve tak, aby vzdialenosť medzi tiávitimi drôtu bola 0,1 mm. Plazmovým nástrekom sa na drôt naniesla vrstva z CuOZr prášku s priemerom 38 μηι v takej hrúbke, aby objemové zastúpenie volfrámu vo výslednom konpozite bolo 60 %. Kompozit sa pripravil liso vaním v izostatepri tlaku 100 MPaa teplote 900 °C.

Príklad 4

Tyčky s priemerom 3,2 mm z. volfrámu s obsahom 1 % LazCh sa usporiadali tak, že medzi dvomi tyčkami tvoriacimi podlhovasté segmenty 1 bola jedna vrstva tkaniny z volfrámových drôtov. Priestor medzi volfrámovými zložkami sa vyplnil zliatinou CuAgZr pomocou tlakovej infiltrácie pri teplote 1 200 °C.

Príklad 5

Kompozit pripravený podľa príkladu 1 sa rozrezal na platničky s hrúbkou 10 mína prispájkovai sa spájkon Cu-381-21-2,2511 (Copper ABA) na valec z medi tak, aby osi podlhovastých segmentov 1 boli rovnobežné s osou medeného valca. Takto vytvorená elektróda sa použila ako katóda v plazmatróne.

Príklad 6

Kompozit pripravený podľa príkladu 4 sa rozrezal na platničky s hrúbkou 15 mm a na jednom povrchu sa v galvanickom roztoku odleptala výplň 2, ale len do takej hĺbky, aby podlhovasté segmenty 1 zostali fixované vo výplni 2. Platničky z. takto upraveného kompozitu sa neodleptanou plochou prispájkovali použitím Cu -10Mu-3Co spájky na blok z CuCrZr zliatiny, v ktorom sú kanály 3 chladenia tak, aby osi podlhovastých segmentov 1 boli v podstate kolmé na spájkovanú rovinu. Takto vytvorené prvky sa môžu pospájať do blokov a použiť v stenách tepelného reaktora.

Priemyselná využiteľnosť

Priemyselná využiteľnosť je zrejmá. Podľa tohto vynálezu je možné opakovane vyrábať a používať kompozit ua efektívny odvod tepla v mnohých technických aplikáciách, pričom jeho výhodná architektúra zabezpečuje dlhodobú štruktúrnu stabilitu aj pri opakovanom cyklickom namáhaní pri vysokých teplotných rozdieloch.

Claims

P A T E N T O V É N Á R O K ¥

1. Kompozit na vedenie tepla s vysokoteplotnou odolnosťou, ktorý je tvorený aspoň dvoma zložkami, kde prvá zložka má teplotu tavenia vyššiu ako 1 300 °C, druhá zložka má teplotu tavenia nižšiu ako prvá zložka, druhá zložka má tepelnú vodivosť a teplotnú rozťažnosť vyššiu ako prvá zložka, kde kompozit má vonkajšiu stranu určenú na prestup tepla z okolia do hmoty kompozitu a má vrstvu určenú na odovzdávanie tepla, výhodne na odovzdávanie tepla do chladiaceho média, pričom prvú zložku tvorí súbor orientovaných podlhovastých segmentov (1), podlhovasté segmenty (1) sú orientované v smere vedenia tepla z vonkajšej strany k vrstve na odovzdávanie tepla alebo sa od tohto smeru odchyľujú najviac o 45°, podlhovasté segmenty (1) sú vyústené na vonkajšiu stranu, kde svojou navonokprístupnou plochou tvoria aspoň 50 % plochy vonkajšej strany určenej na prestup tepla z okolia do hmoty kompozitu a dĺžka podlhovastých segmentov (1) je aspoň dvojnásobok najväčšieho rozmeru v priečnom priereze podlhovastého segmentu (í) v rovine vonkajšej strany, vyznačujúci sa tým, že druhá zložka tvorí výplň (2) medzi podlhovastými segmentmi (1), obe zložky sú pritom vyústené na vonkajšiu stranu, a plocha jedného podlhovastého segmentu (1) navonok prístupná na vonkajšej strane určenej na prestup tepla z okolia do hmoty kompozitu je menej ako 50 rum².
2. Kompozit na vedenie tepia s vysokoteplotnou odolnosťou podľa nároku 1, vyznačujúci sa t ý m , že podlhovasté segmenty (1) majú povlak na zlepšenie prestupu tepla do druhej zložky,
3. Kompozit na vedenie tepla s vysokoteplotnou odolnosťou podľa nárokov 1 alebo 2, vyznačujúci sa t ý iu, že podlhovasté segmenty (ľ) majú s výplňou (2) tesný mechanický kontakt alebo sú difúzne alebo metalurgický prepojené.
4. Kompozit na vedenie tepla s vysokoteplotnou odolnosťou podľa ktoréhokoľvek z nárokov 1 až 3, vy z n a č u j ú c i s a tým, že prvá zložka má tepelnú vodivosť aspoň 50 VV.irr'-.K-* a má teplotu tavenia vyššiu ako 2 000 °C, výhodne vyššiu ako 3 000 °C.
5. Kompozit na vedenie tepla s vysokoteplotnou odolnosťou podľa ktoréhokoľvek z nárokov 1 až 4, vy z n a č u j ú c i sa t ý m, že tepelná vodivosť druhej zložky je aspoň o 50 % vyššia ako tepelná vodivosť prvej zložky.
6. Kompozit na vedenie tepia s vysokoteplotnou odolnosťou podľa ktoréhokoľvek z nárokov 1 až 5, vy z n a č u j ú c i sa t ý m, že materiál prvej zložky je volfrám, výhodne volfrám s prítnesou oxidov La2(h a/alebo Y2O3, a/alebo CeOz, a/alebo ThO?, a/alebo ZrCh.
7. Kompozit na vy z n a č 11 j ú c i
8. Kompozit na vyznačujúci
9. Kompozit na vyznačujúci v bezprostrednom kontakte s horúcim prostredím na vonkajšej strane, tvorí aspoň 50 % až 95 % plochy vonkajšej sírany.
10. Kompozit na vedenie tepla s vysokoteplotnou odolnosťou podľa ktoréhokoľvek z nárokov J až 9, vyznačujúci sa tým, že podlhovastý segment (1) má dĺžku aspoň 3 mm a má kruhový alebo štvoruholnlkový, alebo vlacuholníkový prierez s plochou menšou ako 30 mm², výhodne menšou ako 10 mm².
11. Kompozit na vedenie tepla s vysokoteplotnou odolnosťou podľa ktoréhokoľvek z nárokov 1 až 10, v y z n a č u j ú c i sa tým, že podlhovastý segment (1) má po dĺžke premenlivý prierez.
12. Kompozit na vedenie tepia s vysokoteplotnou odolnosťou podľa ktoréhokoľvek z nárokov 1 až 11, vyznačujúci sa tým, že podlhovasté segmenty íl) majú odlišnú dĺžku tak, že smerom k vrstve na odovzdávanie tepla von z kompozitu Ideš á v jednotlivých rovinách podiel prvej zložky proti druhej zložke.

vedenie tepla s vysokoteplotnou odolnosťou podľa ktoréhokoľvek z nárokov sa t ý Π3, že materiál druhej zložky je meď alebo zliatina medi.

vedenie tepla s vysokoteplotnou odolnosťou podľa ktoréhokoľvek z nárokov sa tým, že materiál druhej zložky? je striebro alebo zliatina striebra.

vedenie tepla s vysokoteplotnou odolnosťou podľa ktoréhokoľvek z nárokov sa tým, že celková plocha, ktorá tvoria podlhovasté segmenty (1), ktoré sú % celkovej až 6, až 6, až 8,
13. Kompozit na vedenie tepla s vysokoteplotnou odolnosťou podľa nároku 12, vyznačujúci sa tým, že rôzne dlhé podlhovasté segmenty (1) sú rozmiestnené rovnomerne v priereze kompozitu, výhodne tak, že podlhovasté s eg tne n ty (1) s postupne sa meniacou dĺžkou sa opakovane striedajú v oboch priečnych smeroch kompozitu.
14. Kompozit na vedenie lepia s vysokoteplotnou odolnosťou podľa nárokov 12 alebo 13, vyz na čujúci sa tým, že rôaie dĺžky podlhovastých segmentov (1) zodpovedajú rozdielom teplotnej rozťažnosti v rovinách s rôznou teplotou.
15. Kompozit na vedenie lepia s vysokoteplotnou odolnosťou podľa ktoréhokoľvek z nárokov 1 až 14, vyznačujúci sa tým, že podlhovastý segment (1) je vyrobený z valcovaného alebo ťahaného polotovaru.
16. Kompozit na vedenie tepla s vysokoteplotnou odolnosťou podľa ktoréhokoľvek z nárokov 1 až 15, vyznačujúci sa t ý sn , že podlhovasté segmenty (1) vyčnievajú z povrchu výplne (2) na vonkajšej strane, výhodne nie viac ako 3 mm

S K 288690 B6
17. Kompozit na vedenie tepla s vysoko teplotnou odolnosťou podľa ktoréhokoľvek z nárokov 1 až 16, vyznačujúci s a tým, že je s účasťou elektródy, výhodne elektródy v plazmatróne.
18. Kompozit na vedenie tepla s vysokoteplotnou odolnosťou podľa ktoréhokoľvek: z nárokov 1 až 16, vyznačujúci sa tým, že tvorí povrch steny vysokotepiotného reaktora, výhodne povrch diver-

5 íora vo lužnom reaktore.
19. Kompozit na vedenie tepla, s vysokoteplotnou odolnosťou podľa ktoréhokoľvek z nárokov 1 až 18, vyznačujúci sa tým, že má aspoň jeden kanál (3) chladenia.
20. Kompozit na vedenie tepla s vysokoteplotnou odolnosťou podľa nároku 19, vyznačuj ú c i sa t ý m, že kanál (3) chladenia je ohraničený len druhou zložkou.