ВОЛОКНИСТЫЙ МАТЕРИАЛ ОБЪЕМНОЙ СТРУКТУРЫ ИЗ ДИСКРЕТНЫХ ФРАГМЕНТИРОВАННЫХ УГЛЕРОДНЫХ ВОЛОКОН, СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ СПОСОБА
FIBER MATERIAL OF BULK STRUCTURE FROM DISCRETE FRAGMENTED CARBON FIBERS, METHOD OF ITS MANUFACTURE AND DEVICE FOR METHOD IMPLEMENTATION

Изобретения относятся к изготовлению объемной структуры волокнистого материала, применяемого в качестве теплоизоляционного материала, а также в качестве армирующего наполнителя при изготовлении изделий из углерод-углеродного композиционного материала.
Известен волокнистый материал объемной структуры, содержащий слои дискретных по длине углеродных волокон, скрепленных между собой иглопрокалыванием [патент ПНР 135400, D01Fg/12, 1987].
В соответствии с ним углеродные волокна получают в результате термообработки «белых» полиакрильных (ПАН) волокон, находящихся в образованных ими слоях, взаимоскрепленных иглопробиванием.
Такой наполнитель имеет большой разброс показателя предела прочности по коэффициенту вариации, что вызывает нестабильность свойств композиционного материала на его основе.
УУКМ на его основе можно использовать только в качестве теплоизоляции, а для ответственных деталей конструкционного назначения не представляется возможным.
Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому эффекту является волокнистый материал объемной структуры, содержащий слои дискретных по длине углеродных волокон, скрепленных между собой вертикально расположенными пучками углеродных волокон [патент RU 2065846, С04В 35/52, 1996].
В соответствии с ним волокнистый материал объемной структуры из предварительно полученных (в результате термообработки полиакрилонитрильных или вискозных волокон) углеродных волокон, состоит из чередующихся компонентов волокнистой структуры, одним из которых является нетканый из дискретных по длине волокон, а другим - трикотажное полотно из длинномерных волокон.
Такой волокнистый материал обеспечивает возможность использования его как в качестве теплоизоляционного материала, так и в качестве армирующего наполнителя в УУКМ конструкционного назначения.
Недостатком такого волокнистого материала является высокая стоимость, обусловленная наличием в нем трикотажного полотна из длинномерных углеродных волокон и дискретных волокон при изготовлении их резкой длинномерного волокна, а также сравнительно высокая трудоемкость операции выкладки пакета. Еще одним недостатком волокнистого материала применительно к изготовлению из него теплоизоляции являются недостаточно высокие теплоизоляционные свойства из-за сравнительно высокой его плотности.
Задачей изобретения является снижение стоимости изготовления волокнистого материала объемной структуры при сохранении достаточно высокой прочности изготавливаемых из него изделий из УУКМ конструкционного назначения, а также при повышении эффективности теплоизоляции им высокотемпературного оборудования.
Известен способ изготовления волокнистого материала объемной структуры из углеродных волокон, включающий взаимоскрепление волокон в отдельном слое (или в составе пакета из нескольких слоев) иглопробиванием [патент ПНР 135400, 1987].
В соответствии с ним взаимоскрепление углеродных волокон в отдельном слое (или в составе пакета из нескольких слоев) производится в составе слоя или пакета из исходного «белого» полиакрилонитрильного (ПАН) волокна.
При карбонизации, а затем графитации наполнителя из «белого» ПАН сырья происходят большие формоизменения геометрических размеров. Наполнитель, полученный по данному способу, имеет большой разброс показателя предела прочности по коэффициенту вариации, что вызывает нестабильность свойств композиционного материала на его основе.
Углерод-углеродный композиционный материал на его основе можно использовать только в качестве теплоизоляции, а для ответственных деталей конструкционного назначения не представляется возможным.
Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому эффекту является способ изготовления волокнистого материала объемной структуры из углеродных волокон, включающий взаимоскрепление волокон в отдельном слое (или в составе пакета из нескольких слоев) иглопробиванием [патент RU 2065846, 1996].
В соответствии с ним взаимоскреплению иглопробиванием подвергают пакет из уже готовых углеродных волокон, состоящий из двух компонентов структуры, а именно: из нетканой структуры на основе дискретных по длине волокон и трикотажного полотна из длинномерных волокон.
Способ позволяет изготавливать волокнистый материал объемной структуры сравнительно высокой прочности, следствием чего является возможность использования его в качестве, как теплоизоляционного материала, так и в качестве армирующего наполнителя в УУКМ конструкционного назначения.
Недостатком способа являются сравнительно большие затраты на его осуществление. Обусловлено это как применением сравнительно дорогих углеродных волокон, так и большой трудоемкостью проводимых операций, т.к. механизация (или автоматизация) их в соответствии с указанным патентом не предусмотрена. Не предусмотрена патентом также операция фрагментирования волокон (разделения волокон на фрагменты по их толщине, вплоть до филаментов), что приводит к снижению теплоизоляционных свойств наполнителя объемной структуры из-за сравнительно высокой его плотности.
Задачей изобретения является разработка способа, позволяющего снизить стоимость изготовления волокнистого материала объемной структуры и при этом сохранить достаточно высокую прочность изготавливаемых из него изделий конструкционного назначения, а также обеспечить повышение эффективности теплоизоляции высокотемпературного оборудования.
Известны устройства для изготовления волокнистого материала объемной структуры, состоящие из опоры того или иного конструктивного исполнения, например в виде стола, и иглопробивного механизма. Устройства усматриваются из способов изготовления [1. патент Франции №2587992, 1985 г., 2. Патент США №4790052, 1988 г].
В известных устройствах иглопробиванию обычно подвергается волокнистая преформа на основе предшественника углеродных волокон, например, из полиакрилонитрильных (ПАН) волокон (или ПАН-волокон, подвергнутых предварительному окислению), и реже - из углеродных волокон, т.к. последние из-за их ломкости при этом подвергаются большему травмированию, чем исходные ПАН-волокна.
Недостатком указанных устройств является то, что они не обеспечивают возможность получения волокнистого материала объемной структуры из углеродных волокон без снижения его прочности, следствием чего является снижение прочностных характеристик УУКМ изготавливаемых из этого наполнителя. К тому же такие устройства обеспечивают возможность получения волокнистого материала объемной структуры сравнительно высокой плотности (что обусловлено сравнительно плотной структурой применяемого для пробивки текстильного материала), следствием чего являются сравнительно низкие его теплоизолирующие свойства.
Задачей изобретения является разработка устройства, обеспечивающего снижение стоимости изготовления волокнистого материала объемной структуры при сохранении достаточно высокой прочности изготавливаемых из него изделий из УУКМ конструкционного назначения, а также при повышении эффективности теплоизоляции им высокотемпературного оборудования.
Изобретения настолько взаимосвязаны, что образуют единый изобретательский замысел, а именно: для изготовления заявляемого волокнистого материала объемной структуры из углеродных волокон разработаны новые способ его изготовления и устройство для осуществления способа, что свидетельствует о соблюдении единства изобретений. Их применение позволит решить поставленную задачу, а именно: снизить стоимость изготовления волокнистого материала объемной структуры из углеродных волокон и при этом сохранить достаточно высокую прочность изготавливаемых из него изделий из УУКМ конструкционного назначения, а также повысить эффективность теплоизоляции им высокотемпературного оборудования.
Поставленная задача решается также за счет того, что в способе изготовления волокнистого материала объемной структуры, включающем взаимоскрепление углеродных волокон в отдельном слое (или в составе пакета из нескольких слоев) иглопробиванием, в соответствии с заявляемым техническим решением слой углеродных волокон формируют на основе дискретных по длине и фрагментированных по толщине (вплоть до размеров филаментов) волокон путем расчесывания дискретных волокон - самих по себе или находящихся в составе кусочков ткани - за счет прохождения их в зазоре между вращающимися валками с пильчатой гарнитурой с последующей подачей образующихся при этом фрагментированных волокон на перфорированный, вращающийся и находящийся под разряжением барабан для образования из них настила с намоткой последнего в виде холста на приемный вал с последующей подачей его - или набранного из него пакета - на иглопробивание.
Формирование слоя углеродных волокон на основе дискретных (по длине) и фрагментированных по толщине (вплоть до размеров филаментов) волокон в совокупности с признаком «и взаимоскрепление углеродных волокон в отдельном слое (или в составе пакета из нескольких слоев) иглопробиванием» (признак ограничительной части формулы изобретения) обеспечивает возможность изготовления заявляемого волокнистого материала объемной структуры.
Осуществление операции фрагментирования по толщине (вплоть до размеров филаментов) углеродных волокон путем расчесывания дискретных по длине волокон - самих по себе или находящихся в составе кусочков ткани - при прохождении их в зазоре между вращающимися валками с пильчатой гарнитурой позволяет, с одной стороны, использовать для этого отходы углеродных тканей и волокон, с другой стороны, позволяет произвести это механизированно без существенного травмирования фрагментированных волокон.
Последующая подача фрагментированных волокон на перфорированный, вращающийся и находящийся под вакуумом (разряжением) барабан обеспечивает возможность образования из них настила одинаковой по длине толщины. Обусловлено это равномерным первоначальным воздействием вакуума (разряжения) на фрагментированные волокна, которое ослабевает по мере наслоения волокон, и на том участке, где оно существенно ослабевает, прекращается наслоение, а где оно недостаточно ослабело, продолжается наслоение. При этом образуется слой волокнистого материала (холст) такой толщины, что она оказывается достаточной для того, чтобы произвести его (холста) намотку на приемный вал. Следует также отметить, что при осуществлении этой операции фрагментированные волокна не могут травмироваться, так как механическое воздействие на них носит мягкий характер.
Осуществление намотки слоя волокнистого материала (настила из фрагментированных волокон, образовавшегося на перфорированном барабане) на приемный вал позволяет механизировать операцию формирования слоя (холста) из фрагментированных волокон.
Последующая за образованием слоя волокнистого материала (холста) - или набранного из него пакета - подача его на иглопробивание позволяет завершить получение волокнистого материала объемной структуры.
В новой совокупности существенных признаков у объекта изобретения появляется новое свойство: способность получить волокнистый материал объемной структуры из фрагментированных по толщине дискретных по длине волокон, используя для этого отходы углеродных тканей и волокон, осуществляя это механизированным методом и без существенного травмирования фрагментированных волокон, благодаря чему сохраняется их высокая прочность; к тому же во время операции иглопробивания волокнистому материалу может быть придана как высокая, так и низкая плотность.
Благодаря новому свойству решается поставленная задача, а именно: разработан способ, позволяющий снизить стоимость изготовления волокнистого материала объемной структуры и при этом сохранить достаточно высокую прочность изготавливаемых из него изделий конструкционного назначения, а также обеспечить повышение эффективности теплоизоляции высокотемпературного оборудования.
Поставленная задача решается также за счет того, что объемной структуры волокнистый материал, содержащий слои дискретных по длине углеродных волокон, скрепленные между собой вертикально расположенными пучками углеродных волокон, получаемых иглопрокалыванием указанных слоев, в соответствии с заявляемым техническим решением он получен заявляемым способом (и поэтому содержит только дискретные волокна, фрагментированные по толщине; причем большинство волокон имеет размеры филаментов). То, что волокнистый материал объемной структуры из углеродных волокон содержит только дискретные по длине волокна, позволяет использовать для его изготовления отходы углеродных тканей и волокон.
То, что большинство дискретных углеродных волокон в заявляемом волокнистом материале объемной структуры фрагментированы по толщине; причем большинство из них имеет размеры филаментов (моноволокон) создает определенные преимущества.
Так, использование его в качестве армирующего наполнителя УУКМ позволяет обеспечить более равномерное заполнение каркаса (преформы) углеродной матрицей благодаря более равномерной пористой структуре каркаса, следствием чего является большая степень реализации в нем прочностных свойств армирующего наполнителя. Кроме того, при иглопробивании пакета из фрагментированных по толщине углеродных волокон (большинство которых имеет размеры филаментов) они в меньшей степени травмируются, чем большего размера волокна, а, значит, сохраняют свою прочность в волокнистом материале объемной структуры; к тому же такой УУКМ более однороден по составу, а значит, подвергается более однородному износу при работе деталей из УУКМ в узлах трения.
Благодаря малому размеру углеродных волокон в волокнистом материале объемной структуры он имеет более низкую плотность и меньшую площадь контактов между ними, следствием чего являются более высокие теплоизолирующие свойства при применении его в качестве теплоизоляционного материала.
В новой совокупности существенных признаков у объекта изобретения появляется новое свойство: способность использовать при изготовлении волокнистого материала объемной структуры отходы углеродных тканей и волокон, а также способность обеспечить сравнительно высокую степень реализации прочностных свойств армирующего наполнителя в УУКМ и при необходимости придать волокнистому материалу более высокие теплоизолирующие свойства.
Благодаря новому свойству решается поставленная задача, а именно: снижается стоимость изготовления волокнистого материала объемной структуры при сохранении достаточно высокой прочности изготавливаемых из него изделий из УУКМ конструкционного назначения, а также повышается эффективность теплоизоляции им высокотемпературного оборудования.
Поставленная задача решается также за счет того, что устройство для изготовления волокнистого материала объемной структуры, включающее стол для размещения на нем подвергаемого иглопробиванию волокнистого материала и иглопробивной механизм, в соответствии с заявляемым техническим решением оно дополнительно снабжено чесальной машиной, состоящей из вращающихся валков с  гарнитурой, формирующего настил из фрагментированных по толщине волокон перфорированного, вращающегося и находящегося под разряжением барабана, и приемного вала; чесальная машина встроена в конвейерную линию со столом и иглопробивным механизмом и приемником готового волокнистого материала объемной структуры, а при необходимости получения его толстым - конвейерная линия дополнительно снабжена механизмом пакетирования, размещенным непосредственно перед столом.
Дополнительное снабжение устройства чесальной машиной, состоящей из вращающихся валков с  гарнитурой, обеспечивает возможность разделения дискретных по длине углеродных волокон - самих по себе или находящихся в составе кусочков ткани - на отдельные фрагменты (меньшей толщины, чем исходные волокна); большинство которых приобретают размеры филаментов. Исключение при этом травмирования фрагментированных волокон (несмотря на их сравнительно высокую ломкость) обеспечивается соответствующим подбором  гарнитуры, а именно: подбором высоты и частоты расположения зубьев пильчатой гарнитуры на валах.
Дополнительное снабжение устройства перфорированным, вращающимся и находящимся под вакуумом (разряжением) барабаном обеспечивает возможность формирования из фрагментированных по толщине и дискретных по длине углеродных волокон холста (в виде равнотолщинного по всей площади барабана настила) такой толщины, что она оказывается достаточной для сматывания его на приемный вал.
Снабжение устройства приемным валом обеспечивает съем холста с перфорированного барабана, его намотку на вал с возможностью сматывания с него холста при подаче его к месту иглопробивания.
Встраивание чесальной машины в конвейерную линию со столом, иглопробивным механизмом и приемником готового волокнистого материала объемной структуры, а при необходимости получения его толстым - дополнительное снабжение конвейерной линии механизмом пакетирования, размещенным непосредственно перед столом, позволяет полностью механизировать процесс изготовления волокнистого материала объемной структуры, в том числе и большой толщины.
В новой совокупности существенных признаков у объекта изобретения возникает новое свойство: способность обеспечить получение волокнистого материала объемной структуры из дискретных по длине и фрагментированных по толщине (вплоть до размеров филаментов) углеродных волокон механизированным способом при сохранении их высокой прочности, используя для этого (в качестве исходных) дискретные по длине углеродные волокна - сами по себе или находящиеся в составе кусочков ткани - в том числе отходы углеродных тканей и волокон.
Благодаря новому свойству решается поставленная задача, а именно: разработано устройство, позволяющее снизить стоимость изготовления волокнистого материала объемной структуры из углеродных волокон и при этом сохранить достаточно высокую прочность изготавливаемых из него изделий из УУКМ конструкционного назначения, а также повысить эффективность теплоизоляции им высокотемпературного оборудования.
Изобретения поясняются фиг. 1
Способ изготовления волокнистого материала объемной структуры заключается во взаимоскреплении углеродных волокон в отдельном слое (или в составе пакета из нескольких слоев) иглопробиванием.
В соответствии с заявляемым способом слой углеродных волокон формируют на основе дискретных по длине и фрагментированных по толщине (вплоть до размеров филаментов) волокон. Формирование указанного слоя начинают с расчесывания дискретных волокон - самих по себе или находящихся в составе кусочков ткани - за счет прохождения их в зазоре между вращающимися валками с  гарнитурой. Завершают формирование указанного слоя (холста) за счет подачи образующихся при этом фрагментированных волокон на перфорированный, вращающийся и находящийся под разряжением (вакуумом) барабан для образования из них настила и последующей намотки последнего в виде холста на приемный вал. Затем холст с приемного вала - или набранный из него пакет - подают на иглопробивание.
Рассмотренный способ осуществляют с использованием устройства, обеспечивающего механизацию получения волокнистого материала объемной структуры, состоящего из дискретных по длине и фрагментированных по толщине углеродных волокон, скрепленных между собой вертикально расположенными пучками таких же волокон, получаемых при иглопрокалывании холста.
Устройство представляет собой конвейерную линию, включающую чесальную машину 1, стол 2 для размещения на нем подвергаемого иглопробиванию волокнистого материала и иглопробивной механизм 3.
При необходимости получения волокнистого материала большой толщины конвейерная линия дополнительно снабжается механизмом пакетирования, размещенным непосредственно перед столом 2.
Чесальная машина 1 состоит из загрузочного бункера 4, вращающихся валков 5 с  гарнитурой 6, формирующего настил (из фрагментированных по толщине волокон) перфорированного, вращающегося и находящегося под разряжением (вакуумом) барабана 7 и приемного вала 8.
Экспериментальным путем доказана возможность изготовления заявляемого волокнистого материала объемной структуры как на основе низкомодульных экс-ГЦ углеродных волокон марки УРАЛ, так и высокомодульных экс-ПАН углеродных волокон марки УКН. Получены опытные образцы заявляемого материала. Его характеристики в сравнении с материалом - прототипом приведены в таблице 1.
Устройство работает следующим образом.
В загрузочный бункер 4 загружают дискретные по длине углеродные волокна (или кусочки углеродной ткани). Включают чесальную машину 1, а в перфорированном барабане 7 создают вакуум (разряжение). Дискретные углеродные волокна из загрузочного бункера 4 попадают в зазор между вращающимися валками 5 с пильчатой гарнитурой 6. Под воздействием механического усилия со стороны валков 5 с пильчатой гарнитурой происходит разделение дискретных по длине углеродных волокон на более мелкие по толщине фрагменты, вплоть до размеров филаментов.
Поскольку углеродные волокна имеют как сравнительно низкий, так и сравнительно высокий модуль упругости, то приходится экспериментальным путем подбирать высоту  гарнитуры 6 и частоту ее расположения на валках 5.
Фрагментированные (по толщине) углеродные волокна под воздействием разряжения, создаваемого в перфорированном барабане 7, оседают на его перфорированную поверхность, формируя достаточно равномерной толщины настил в виде холста из углеродных волокон. Его толщина вполне достаточна, чтобы произвести намотку холста на приемный вал 8. Затем холст с приемного вала 8 подается на стол 2, где производится его иглопробивание с помощью игл иглопробивного механизма 3. Иглы захватывают часть фрагментированных волокон холста, формируя в вертикальном направлении пучок волокон, благодаря чему обеспечивается скрепление слоев волокон между собой.
Если требуется получить волокнистый материал объемной структуры  толщины, то холст перед столом 2 (т.е. перед иглопробиванием) пакетируют с помощью механизма пакетирования.