СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ УГЛЕРОД-УГЛЕРОДОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА
METHOD OF PRODUCING CARBON-CARBON COMPOSITE MATERIAL

Изобретение относится к области технологии композиционных материалов и может быть использовано для изготовления деталей теплозащиты, а также изделий медицинского назначения.
В структуре углерод-углеродных композиционных материалов можно выделить армирующую основу, состоящую из углеродных волокон, и углеродную матрицу, связывающую волокна в единый композит. Получение углерод-углеродных композиционных материалов включает в себя изготовление армирующей основы из углеродных волокон (методами выкладки или намотки волокон с учетом требований к ориентации волокна в материале) и последующее формирование углеродной матрицы. Одним из вариантов получения углеродной матрицы является термообработка армирующей основы в среде углеводородов при температуре, превышающей температуру их разложения. Такая матрица называется пироуглеродной матрицей.
Известен способ изготовления углерод-углеродного композиционного материала, описанный в патенте РФ №2225354. При реализации способа изготавливают пористую армирующую основу получаемого углерод-углеродного композиционного материала - каркас из углеродных волокон - и помещают ее в реакционную камеру коаксиально углеродному нагревателю. В качестве нагревателя используют стержень из углеродного материала, например из углерод-углеродного композиционного материала. Затем проводят осаждение пироуглеродной матрицы в порах армирующей основы. Осаждение проводят в среде природного газа в условиях температурного градиента в армирующей основе. Температура в зоне пиролиза достигает 900-1000°С, а зона пиролиза перемещается от стержневого нагревателя к периферии со скоростью не менее 0,03 мм/ч.
Недостатком известного способа является сложность его применения при изготовлении пластин из углерод-углеродного композиционного материала. Получаемый материал формируется в виде цилиндра, поэтому изготовление пластин может быть осуществлено только механической обработкой, что приводит к большим потерям материала. Кроме того, армирование волокнами осуществлено не в плоскости изготавливаемой пластины, что может ухудшать ее механические свойства.
Задачей изобретения является упрощение технологии изготовления пластин из углерод-углеродного композиционного материала.
Технический результат достигается тем, что при получении углерод-углеродного композиционного материала, включающем изготовление пористой армирующей основы из углеродных волокон и последующее формирование пироуглеродной матрицы в среде газообразных углеводородов при температуре выше температуры их разложения в условиях градиента температуры в армирующей основе, созданного нагревателем, установленным внутри армирующей основы, нагреватель выполнен из углеродной пластины с соотношением длина:ширина не менее 1.
Использование нагревателя, длина которого меньше ширины, нецелесообразно, т.к. неравномерность нагрева такого нагревателя по длине приводит к большой неоднородности получаемых материалов.
Предпочтительно, если длина нагревателя не превышает его ширину более чем в 20 раз, в противном случае снижается эффективность использования именно плоского нагревателя, т.к. по соотношению размеров и формы нагреватель приближается к известным цилиндрическим нагревателям, которые проще изготавливать и использовать в высокотемпературных печах.
Предпочтительно, чтобы формирование армирующей основы осуществлялось непосредственно на поверхности углеродного нагревателя методами выкладки или намотки углеродных нитей, жгутов, лент, тканей или войлока. Такой технологический прием упрощает технологию и снижает трудоемкость изготовления материала.
Сущность изобретения состоит в следующем.
В ряде случаев существует потребность изготовления тонких пластин из углерод-углеродного композиционного материала с пироуглеродной матрицей, например, толщиной от 2 до 10 мм. Обычно такие пластины получают, формируя матрицу изотермическим способом, т.е. обработкой армирующей основы в среде газообразных углеводородов при температуре, превышающей температуру их разложения, в условиях равномерного нагрева всей армирующей основы. Изотермический способ формирования пироуглеродной матрицы длительный и требует, например, 100-250 часов, что делает его трудоемким и энергоемким.
Предлагаемое техническое решение обеспечивает изготовление тонких пластин из углерод-углеродного композиционного материала методом синтеза пироуглеродной матрицы в условиях температурного градиента. Для реализации способа используют углеродный нагреватель в виде пластины. Он может быть изготовлен, например, из углеграфитового материала или из углерод-углеродного композиционного материала. На поверхности нагревателя (пластины) устанавливается пористая армирующая основа получаемого композита, которая выполнена из углеродных волокон. Например, пластина-нагреватель обматывается нитью, лентой, жгутом, тканью или войлоком из углеродного волокна. При этом выбирается и реализуется заранее установленный вид армирования, т.е. направления расположения углеродных волокон в армирующей основе и доля волокон, ориентированных в каждом из направлений. Важно, что в этом случае легко реализуется ориентация армирующих волокон параллельно плоскости пластины, что важно для придания ей повышенных механических свойств. Толщина армирующей основы, предпочтительно, должна превышать толщину изготавливаемой пластины из углерод-углеродного композиционного материала, например, на 1-3 мм. Предпочтительно, чтобы армирующая основа занимала не всю площадь пластины-нагревателя: по длине, по краям пластины-нагревателя остаются свободные от армирующей основы участки, необходимые для закрепления нагревателя в тоководы, подводящие напряжение к пластине-нагревателю.
После описанной подготовки заготовка, а именно нагреватель с армирующей основой, устанавливается в установку синтеза пироуглеродной матрицы. Для этого свободные от армирующей основы концы нагревателя устанавливаются в тоководы и заготовка изолируется от внешней атмосферы специальной камерой, в которую подают газовую смесь, содержащую газообразный углеводород или смесь углеводородов.
Пропусканием электрического тока через нагреватель нагревают армирующую основу. При этом температуру нагревателя выбирают таким образом, чтобы температура армирующей основы, прилегающей к нагревателю, была выше температуры разложения используемых углеводородов. В этой области в порах армирующей основы происходит процесс формирования пироуглеродной матрицы, которая связывает углеродные волокна в единый углерод-углеродный композиционный материал. Температура других областей армирующей основы, отстоящих от поверхности нагревателя и находящихся ближе к поверхности заготовки, существенно ниже температуры разложения используемых углеводородов. Это определено известными законами теплопроводности (закон Фурье) и подтверждается экспериментом. В указанных областях не происходит образование пироуглеродной матрицы.
В ходе процесса изготовления углерод-углеродного композиционного материала постепенно увеличивают температуру нагревателя, повышая тем самым температуру областей армирующей основы, отстоящих от нагревателя, и реализуя в них процесс синтеза пироуглеродной матрицы. После окончания процесса, отключения нагрева и остывания нагревателя полученный материал с нагревателем извлекают из камеры. При этом в некоторых случаях на поверхности армирующей основы может находиться слой с меньшим содержанием пироуглеродной матрицы. Его при необходимости удаляют, например, механической обработкой. Затем отделяют нагреватель от изготовленной на его поверхности углерод-углеродной пластины (например, механически).
Как показали эксперименты, время изготовления пластины (получают две пластины - с двух плоскостей пластины-нагревателя) толщиной 5 мм составляет, например, от 5 до 20 часов, что существенно меньше времени, необходимого для изготовления композита при изотермическом методе синтеза пироуглеродной матрицы.
В сравнении с известным способом получения пироуглеродной матрицы углерод-углеродного композиционного материала в условиях градиента температуры внутри армирующей основы, в котором используется цилиндрический нагреватель (стержень), предлагаемый способ упрощает получение именно пластин. При этом в пластине может быть заранее сформирована наиболее оптимальная армирующая основа, в которой углеродные волокна лежат в плоскости пластины, обеспечивая тем самым необходимые механические свойства пластине. Цилиндрический вид нагревателя в известном техническом решении определяет и цилиндрическую симметрию армирующей основы, а также цилиндрическую симметрию зоны формирования пироуглеродной матрицы в синтезируемом углерод-углеродном композиционном материале. Изготовление пластин из такого материала возможно механической обработкой, однако равномерное распределение армирующих волокон и пироуглеродной матрицы в плоскости пластины в большинстве случаев не будет реализовано.
Именно поэтому предлагаемое техническое решение позволяет упростить изготовление пластин из углерод-углеродного композиционного материала и обеспечить их оптимальное армирование, а следовательно, и механические свойства.
Следующий пример характеризует сущность предлагаемого изобретения.
Из углеграфитового материала марки МПГ-7 изготавливают нагреватель в виде пластины длиной 300 мм, шириной 100 мм и толщиной 3 мм. Нагреватель обматывают углеродной тканью марки Урал Т-2, формируя тем самым пористую армирующую основу (пористость - 52% об.) получаемого углерод-углеродного композиционного материала. Намотку осуществляют тканью шириной 250 мм, располагая ее в середине по длине нагревателя: нагреватель свободен от армирующей основы на 25 мм от каждого края по его длине. Намотку осуществляют до толщины слоя ткани 5 мм.
Полученную заготовку устанавливают в камеру установки синтеза пироуглеродной матрицы в условиях температурного градиента и нагреватель закрепляют в тоководах. Камеру закрывают и в нее подают природный газ с избыточным давлением 10 мм рт.ст. Избыток газа удаляют из камеры. На тоководы подают напряжение, обеспечивающее нагрев пластины нагревателя до температуры 980°С. Процесс синтеза осуществляют 8 часов, увеличивая каждый час температуру нагревателя на 10°С. После окончания процесса извлекают заготовку из установки. С внешней поверхности механической обработкой (фрезерование) удаляют слой толщиной 1,5 мм. Изготовленные две пластины (по двум плоскостям нагревателя) из углерод-углеродного композиционного материала механически отделяют от нагревателя.
3
В результате реализации способа по приведенному примеру изготовлены две пластины из углерод-углеродного композиционного материала размером 250×100×3,5 мм. Испытания свойств материала показали, что он имеет плотность 1,52 г/см, прочность при трехточечном изгибе 45 МПа, модуль упругости 9 ГПа. Изготовленные пластины могут быть применены в качестве жаростойких экранов, а также для изготовления углеродных имплантатов для замещения костных дефектов.
Таким образом, применение предлагаемого технического решения позволяет упростить изготовление плоских пластин из углерод-углеродного композиционного материала и обеспечить их оптимальное армирование, а следовательно, и механическую прочность.