Способ изготовления многослойного наполнителя из углеродных волокон

 

Использование: область аэрокосмической и других видов высокотемпературной техники, изготовление армирующих наполнителей для углерод-углеродных композиционных материалов. Сущность изобретения: изготавливают многослойный наполнитель из углеродных волокон путем укладки чередующихся компонентов волокнистой структуры. Один из компонентов является нетканым, другой - трикотажным полотном. Компоненты взаимно скрепляют вертикально расположенными пучками волокон. Соотношение толщин нетканого компонента к трикотажному полотну 10: 1 - 1:10. Для получения теплоизоляционного материала вертикальные пучки волокон располагают с плотностью 60-690 пучков на см², для получения теплопроводного материала - 300-600 пучков/см². Нетканый компонент для теплоизоляционного материала изготавливают из непрерывных углеродных волокон. Нетканый компонент для теплопроводного материала изготавливают из дискретных углеродсодержащих волокон. 2 з.п.ф-лы, 1 ил., 2 табл.

Изобретение относится к изготовлению углеродсодержащего армирующего наполнителя для углерод-углеродных композиционных материалов.

Известен способ получения углеродсодержащего армирующего наполнителя из углеродных волокон, образующих слой волокнистой структуры, уложения друг на друга и взаимоскрепление иглопрокалыванием /1/.

Недостаток наполнителя, полученного по данному способу, заключается в том, что данный материал имеет малую прочность, малую объемную плотность. Данный наполнитель не может быть применен для получения углеродных конструкционных материалов.

Наиболее близким из известных к заявленному является способ изготовления многослойного наполнителя из углеродных волокон, включающий укладку чередующихся компонентов волокнистой структуры, одним из которых является нетканый, их взаимное скрепление вертикально расположенными пучками волокон /2/.

Недостатком способа является использование исходного "белого" полиакрилонитрильного ПАН сырья. 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 таких, как для "лазерного зеркала", не представляется возможным.

Цель изобретения получение углеродного композиционного материала с заданными прочностью и теплопроводностью и увеличение стабильности его прочностных свойств.

Достигается цель тем, что в способе изготовления многослойного наполнителя из углеродных волокон, включающем укладку чередующихся компонентов волокнистой структуры, одним из которых является нетканый, и их взаимное скрепление вертикально расположенными пучками волокон, одним из компонентов волокнистой структуры используют трикотажное полотно при соотношении толщины нетканого компонента к трикотажному полотну 10:1-1:10, а плотность вертикально расположенных пучков волокон варьируют соответственно заданной теплопроводности: для получения теплоизоляционного материала вертикальные пучки волокон располагают с плотностью 60-290 пучков на см², а для получения теплопроводного материала 300-600 пучков на см². Кроме того, нетканый компонент для теплоизоляционного материала изготавливают из непрерывных углеродных волокон, а нетканый компонент для теплопроводного материала изготавливают из дисперсных углеродсодержащих волокон.

Способ осуществляют следующим образом.

Пример 1. Наполнитель получают из готовых термостабилизированных нитей "Оксилон-8" путем формования волокнистого холста с хаотическим расположением непрерывных волокон. Полученный холст подвергают иглопрокалыванию, образуя вертикально расположенные пучки волокон 30 пучков/см². Затем полученный нетканый компонент толщиной 1 мм скрепляют иглопрокалыванием с сетчатым трикотажным полотном из нити "Олилон" толщиной 1 мм переплетения цепочка-трико при соотношении толщины компонентов 1:1. Плотность вертикально расположенных пучков волокон при этом составляет 30 пучков/см². Таким образом, общая плотность вертикально расположенных пучков волокон составляет 60 см². Из полученного материала способом раскроя получают крупногабаритный чехол, который надевают на изделие "насадок" из материала УПА-4 и подвергают высокотемпературной обработке в вакуумной печи при температуре 2373^oК в течение двух часов со скоростью подъема 473 к/час. Затем температуру снижают до 1273^oК и осаждают твердую фазу углерода из метана, т.е. подвергают пиролитическому уплотнению. Из образцов-свидетелей определяют теплопроводность при различных температурах.

Показатели свойств полученного материала представлены в таблице 1 (вариант 2) и таблице 2 (вариант 1).

Пример 2. Наполнитель получают из двух слоев нетканого материала и среднего слоя трикотажного однонаправленного полотна. Изготовление волокнистого холста толщиной 5 мм осуществляют по примеру 1 из дискретных углеродных волокон на основе вискозного волокна с плотностью прокалывания 300 см². Трикотажное полотно, как в примере 1, толщиной 1 мм укладывают между двумя слоями нетканого материала, соединяют на иглопробивной машине при плотности расположения вертикальных пучков волокон 300 пучков/см².

При соотношении толщины нетканого материала и трикотажного полотна 10:1 общая плотность расположения вертикальных пучков волокон 600 пучков/см². Свойства углеродных композиционных материалов на основе полученного наполнителя представлены в таблице 1 (вариант 5) и таблице 2 (вариант 2).

Пример 3 Изготовление нетканого компонента осуществляют по способу примера 1, причем плотность расположения вертикальных пучков волокон после иглопрокалывания в нетканом материале составляет 200 пучков/см². Из однонаправленного полотна из высокомодульных нитей типа ВМН-4 получают многослойный пакет толщиной 10 мм с расположением слоев 0,45^oC, 90^oC, 45^oC. А затем при соотношении толщин нетканого и трикотажного компонентов 1:10 соединяют их иглопрокалыванием с плотностью расположения вертикальных пучков волокон 1000 на 1 см².

Общая плотность прокалывания для нетканого компонента составляет 300 вертикально расположенных пучков на 1 см².

Как следует из таблицы 1, в случае изготовления теплоизоляционного материала, если плотность расположения вертикальных пучков волокон меньше 60 пучков/см², то материал рассыпается, теряет целостность. Если больше - 290 пучков/cм², то становится теплопроводным в случае изготовления теплопроводного материала, если плотность расположения вертикальных пучков меньше 300 пучков/см², материал еще обладает свойствами теплоизоляционного, при плотности больше 600 пучков/см², материал разрушается.

На фиг. 1 представлен график зависимости теплопроводности материалов от наполнителя, где: I углеродный композиционный материал с плотностью вертикальных пучков 100 пучков/см², II углеродный композиционный материал с плотностью вертикальных пучков 400 пучков/см², III углеродный композиционный материал по прототипу, IV углеродный композиционный материал на основе наполнителя из прессованных углеродных волокон.

Из графика видно, что материалы I, II являются заданным теплоизоляционным и теплопроводным материалом соответственно. Анализ данных, представленных в таблице 1 и в таблице 2, а также на фиг.1 показывает, что наполнитель, изготовленный по предлагаемому способу позволяет получить высококачественный углерод-углеродный композиционный материал, прочность которого превышает прочность по прототипу от 1,5 до 60 раз. Кроме того, изготавливаемый наполнитель отличается стабильностью по показателю предела прочности, о чем свидетельствуют низкие значения коэффициента вариации по пределу прочности в сравнении с прототипом.

Формула изобретения

1. Способ изготовления многослойного наполнителя из углеродных волокон, включающий укладку чередующихся компонентов волокнистой структуры, одним из которых является нетканый, и их взаимное скрепление вертикально расположенными пучками волокон, отличающийся тем, что, с целью получения углеродного композиционного материала с заданными прочностью и теплопроводностью и увеличения стабильности его прочностных свойств, одним из компонентов волокнистой структуры используют трикотажное полотно при соотношении толщин нетканого компонента к трикотажному полотну 10 1 1 10, а плотность вертикально расположенных пучков волокон варьируют соответственно заданной теплопроводности: для получения теплоизоляционного материала вертикальные пучки волокон располагают с плотностью 60 209 пучков на 1 см², а для теплопроводного материала 300 600 пучков на 1 см².

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что нетканый компонент для теплоизоляционного материала изготавливают из непрерывных углеродных волокон.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что нетканый компонент для теплопроводного материала изготавливают из дискретных углеродсодержащих волокон.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3