ПРЕСС-ПАКЕТ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ФРИКЦИОННЫХ УГЛЕРОД-УГЛЕРОДНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ
PACKING PRESS FOR PRODUCING FRICTIONAL CARBON-CARBON COMPOSITE MATERIALS AND METHOD FOR PRODUCTION THEREOF

Изобретение относится к области изготовления фрикционных углерод-углеродных материалов и изделий из углеродистой волокнистой массы в смеси с порошкообразным связующим, в частности к пресс-пакетам, из которых формируются эти материалы и/или изделия.
В самом общем случае фрикционные углерод-углеродные материалы и/или изделия формируют путем прессования полуфабриката, содержащего углеродные волокна и связующее, который получил название пресс-пакета.
Для получения пресс-пакета непрерывные жгуты углеродных волокон режут на отрезки заданного размера, смешивают их со связующим компонентом и формируют из смеси заготовку - пресс-пакет.Далее из пресс-пакета получают изделие - пресс-пакет подвергают прессованию, обжигу, пропитке связующим, карбонизации и другим технологическим операциям с получением конечного углерод-углеродного композиционого материала или изделия.
Так в патенте RU 2088705 получают заготовки пресс-пакетов следующим образом: жгуты углеродных волокон режут на отрезки заданного размера, затем их уплотняют с образованием имеющего постоянное сечение и равномерно уплотненного объема волокон, после чего осуществляют разделение волокон и одновременно дозированную подачу их в камеру смешения со связующим путем последовательного раздува уплотненного объема волокон струей сжатого воздуха, при этом смешивание волокон со связующим компонентом проводят путем непрерывной дозированной подачи и равномерного распределения волокон и связующего компонента по поперечному сечению камеры смешения. Затем из полученной смеси уплотнением формируют заготовку.
Данное известное изобретение позволяет повысить качество пресс-пакета за счет увеличения однородности смеси и снижения степени разрушения волокон, а также расширить технологические возможности способа за счет использования в качестве исходного материала отходов углеродных волокон.
Наиболее близкое техническое решение раскрывается в JP 2003055057 на «Способ изготовления УУКМ». В данном способе пресс-пакет изготавливают следующим образом: нарезанное углеродное волокно длиной 2-30 мм смешивают с наполнителем, содержащим один или нескольких пеков, кокс и тонкодисперсный угольный порошок. Затем смесь измельчают, помещают ее в металлическую форму, в которой и формируют пресс-пакет. Соответственно, в данном документе также раскрывается и сам способ получения пресс-пакета.
Как следует из описания данного патента, метод позволяет из пресс-пакета, полученного по описанной технологии, получить углерод-углеродный материал без необходимости повторения процесса пропитки для уплотнения.
Однако оба известных способа не позволяют решить задачу одновременного улучшения теплопроводности и прочности в направлении, параллельном оси прессования, которые являются принципиально важными характеристиками фрикционных материалов при эксплуатации. При этом высокая теплопроводность в направлении, параллельном оси прессования, необходима для отвода тепла из тела фрикционного материала и исключения его локального перегрева, прочность на сжатие и изгиб при приложении силы в аналогичном направлении - также важные характеристики, высокие значения которых исключают разрушение материала в процессе эксплуатации.
Задачей изобретения является повышение теплопроводности и прочности в направлении, параллельном оси прессования.
Поставленная задача решается пресс-пакетом для производства фрикционных углерод-углеродных композиционных материалов и/или изделий, содержащим связующее, волокнистый наполнитель, выполненный из длинных и коротких углеродных волокон, где длина длинных волокон составляет 30-60 мм, а длина упомянутых коротких волокон - 10-50% от длины длинных волокон, и частицы игольчатого кокса при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Длинные углеродные волокна
10-30
Короткие углеродные волокна
1-30
Игольчатый кокс
0,5-10
Связующее
остальное
В частных воплощениях изобретения поставленная задача решается также тем, тем, что пресс-пакет содержит игольчатый кокс с параметром анизометрии не менее 1,70.
Поставленная задача решается также способом получения пресс-пакета для производства фрикционных углерод-углеродных композиционных материалов и/или изделий, который включает подачу и смешение связующего, волокнистого наполнителя, выполненного из длинных и коротких углеродных волокон, где длина длинных волокон составляет 30-60 мм, а длина упомянутых коротких волокон - 10-50% от длины длинных волокон, и частицы игольчатого кокса при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Длинные углеродные волокна
10-30
Короткие углеродные волокна
1-30
Игольчатый кокс
0,5-10
Связующее
остальное
В частных воплощениях способа поставленная задача также решается тем, что в качестве связующего используют частицы пека. В этом случае перед подачей частицы игольчатого кокса смешивают с частицами пека.
Сущность изобретение состоит в следующем.
Получаемый в соответствии с изобретением пресс-пакет содержит волокнистый наполнитель, включающий углеродные волокна двух различных длин, игольчатый пек и связующее при определенном соотношении этих компонентов.
Сочетание коротких и длинных волокон с заявленным соотношением их длин позволяет увеличить долю Z-составляющей (волокна, ориентированные в направлении, параллельном оси прессования), снизить количество изгибов волокна в пресс-пакете, а также снизить степень износа фрикционных углеродных дисков при эксплуатации.
Нами исследовано, что в некоторых воплощениях изобретения при использовании длинных углеродных волокон с длиной, равной 30-60 (наиболее желательно 40-50 мм), достигаются наиболее высокие показатели качества целевых композиционных материалов. При такой длине при прессовании пресс-пакета реализуется ориентирование длинных волокон в направлении, перпендикулярном оси прессования, при этом короткие углеродные волокна и частицы игольчатого кокса являются Z-составляющими. Все вышеописанное не означает, что изобретение не будет осуществляться при других размерах длинных волокон; важно соотношение длин коротких и длинных волокон.
Введение игольчатого кокса, который характеризуется ярко выраженной анизометрией свойств, вместе с вышеописанным волокнистым наполнителем способствует не только созданию анизометрии во всем пресс-пакете, но также способствует росту как прочности, так и теплопроводности в направлении, параллельном оси прессования, что может быть объяснено следующим образом: при прессования пресс-пакета частицы игольчатого кокса распределяются между длинными волокнами параллельно оси прессования или под некоторым углом в ней. При этом в результате анизометрии свойств, в том числе анизометрии теплопроводности, повышается теплопроводность композиционного материала в направлении, перпендикулярном поверхности прессования. Аналогично, повышается предел прочности на сжатие в том же направлении. Высокая прочность на изгиб при приложении усилия параллельно оси прессования реализуется благодаря укладке длинных волокон перпендикулярно оси прессования.
Приведенное в зависимом пункте формулы значение коэффициента анизометрии является наиболее оптимальным: при нем достигаются наилучшие характеристики материала, но весь диапазон параметров анизометрии не исчерпывается приведенными в зависимом пункте формулы значениями - изобретение может быть осуществлено и при иных, отличных от приведенных значений параметров.
В качестве связующего может быть использовано любое приемлемое для изготовления углерод-углеродного материала связующее, прежде всего, это каменноугольный пек, что объясняется его доступностью и дешевизной.
В качестве связующего могут быть также использованы такие вещества, как термореактивные смолы с высоким выходом по углероду: фенолформальдегидные, фурановые, фурфурольные и др.
Если в качестве связующего используется каменноугольный пек, то он может подаваться в аппарат для смешения компонентов пресс-пакета в сухом состоянии - в виде частиц, что упрощает процесс получения материала.
В этом случае каменноугольный пек предварительно перед подачей может быть смешан с игольчатьм коксом, что обеспечит более равномерное распределение в пресс-пакете.
Изобретение осуществляется следующим образом.
Для получения пресспакета в соответствии с изобретением использовали следующие исходные вещества:
Жгуты углеродных волокон по ТУ 1916-214-51385208 «Волокно углеродное марки УК аппретированное, термообработанное при 2800°С» или волокно углеродное Zoltek Panex.35
Каменноугольный пек по ТУ У 24.1-00190443-084 «Пек каменноугольный высокотемпературный марки Г, гранулированный»
Кокс нефтяной игольчатый производства компании Nichimen Corporation, Япония.
Жгуты углеродных волокон, диаметр которых составляет 6-10 мкм, нарезали на отрезки длиной от 10 до 60 мм вручную или на специальном резаке. Нарезанные волокна смешивали в заданном соотношении (см. таблицу 1) и загружали в пневмопитатель.
Частицы каменноугольного пека (среднетемпературного или высокотемпературного) смешивали с частицами игольчатого кокса (нефтяного или пекового) в смесителе, обеспечивающем равномерное смешение и распределение компонентов смеси (в зависимости от вида смесителя - от 7 до 60 минут).
Затем порошок связующего (каменноугольный пек и игольчатый кокс) и нарезанные жгуты углеродного волокна направляли в камеру пневмопитателя, куда подавали сжатый воздух, который приводил смесь наполнитель-связующее в псевдоожиженное состояние, при этом продолжительность формирования пресспакета составляля 15-30 минут.
В таблице 1 приведены различные составы пресс-пакета в соответствии с изобретением, а также получаемые при этом свойства.
Как следует из представленных данных, пресс-пакет в соответствии с изобретением обладает улучшенной теплопроводностью и прочностью в направлении, параллельном оси прессования.