Способ определения степени совместимости связующего и наполнителя в углерод-углеродных композитах

 

Использование: изобретение относится к области электроэнергетики и может быть использовано в отраслях промышленности, производящих компоненты на основе углерода. В изобретении решается задача количественной оценки степени совместимости наполнителя с углеродным связующим в компонентах. Сущность: способ определения заключается в изготовлении двух пробных заготовок, одну из которых готовят из шихты с фиксированным содержанием наполнителя в диапазоне от 5 до 40 мас.%, а другую - из одного связующего, путем их формирования, обжига и термической обработки до температуры не ниже 1800^oC, измельчения полученных заготовок, смешивании измельченных частиц с размягченной термопластичной связкой, ориентирования частиц магнитным полем, формовании образца путем отверждения связки, измерении его диамагнитной восприимчивости и определении текстурных параметров. Степень совместимости связующего с наполнителем определяют по величине отношения текстурных параметров, измеренных на этих заготовках. 2 табл.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к способам исследования и контроля углеродных материалов, и может быть использовано в отраслях промышленности, производящих композиты на основе углерода.

Эксплуатационные свойства композитов определяются особенностями структуры наполнителя и матрицы. Большую практическую значимость имеют композиты с волокнистым наполнителем и углеродной матрицей, образующейся из углеродного связующего (пеков и смол).

Из уровня техники известно, что структура углеродной матрицы в композитах формируется при сильном влиянии наполнителя на связующее. Одним из проявлений такого влияния является преимущественная ориентация кристаллитов, или текстура матрицы у поверхности наполнителя. Текстура матрицы оказывает существенное влияние на многие физические свойства композитов. Кроме того, по формирующимся в результате получения композитов текстурным параметрам можно оценивать степень совместимости наполнителя и матрицы и, следовательно, многие эксплуатационные свойства получаемых на их основе композитов.

Известен способ определения текстурных параметров композитов с волокнистым наполнителем путем измерения их электрофизических свойств [1] Недостатком этого способа является невозможность его применения к композитам на основе дисперсных волокон, а также с многомерным или неупорядоченным армированием непрерывными волокнами.

Наиболее близким техническим решением является способ определения степени совместимости углеродного связующего и наполнителя по текстурному параметру композитов, включающий их измельчение, ориентирование дисперсных частиц магнитным полем и измерение их диамагнитной восприимчивости [2] Недостатком способа является его низкая чувствительность. В связи с тем, что промышленные образцы композитов имеют высокие степени наполнения волокном (свыше 50 вес.), матрица, образующаяся из углеродного связующего, оказывается практически полностью ориентирована под влиянием наполнителя, что не позволяет с достаточной точностью оценивать степень совместимости связующего с наполнителем по величине текстурного параметра на образцах композитов.

В настоящем изобретении решается задача повышения точности количественной оценки степени совместимости наполнителя с углеродным связующим. Решение задачи обеспечивается тем, что текстурный параметр определяют на двух пробных заготовках, одну из которых готовят из шихты с фиксированным содержанием наполнителя в диапазоне от 5 до 40 мас. а другую из одного связующего, путем их формования, обжига и термической обработки до температуры не ниже 1800^oC, и по величине отношения текстурных параметров, измеренных на этих заготовках, определяют степень совместимости наполнителя со связующим.

Нами установлено, что значение текстурного параметра, определяемого по способу [2] существенным образом зависит от содержания наполнителя в композите, изменяясь от значения, свойственного материалу на основе одного связующего, без наполнителя, до приблизительно постоянного значения, характерного для наполнителя, при содержании наполнителя свыше ≈40 мас. Поэтому для корректного определения степени совместимости наполнителя и углеродного связующего в композитах по величине текстурного параметра и возможности ее сопоставления для различных пар материалов необходимо выполнение следующих условий: 1). Фиксированное содержание наполнителя в композите в диапазоне от 5 до 40 мас. Нижняя граница диапазона выбрана в связи с тем, что при более низких содержаниях наполнителя возникают трудности с его однородным распределением в шихте при получении пробных заготовок композитов, а также снижается чувствительность способа.

Верхняя граница диапазона соответствует содержанию наполнителя, выше которого чувствительность способа становится предельно низкой ввиду того, что значение текстурного параметра композита становится практически неотличимым от текстурного параметра наполнителя.

2). Необходимость нормировки текстурного параметра, полученного на пробной заготовке композита, на величину текстурного параметра заготовки из одного связующего. Это вызвано различием значений текстурных параметров у материалов на основе углеродных связующих разных видов.

Таким образом, для достижения поставленной задачи необходимо предварительно изготовить две пробные заготовки: одну из них на основе требуемых наполнителя и связующего с содержанием наполнителя в диапазоне 5-40 мас. а другую на основе одного связующего, на полученных заготовках измерить значение текстурных параметров по способу [2] и определить их отношение по формуле где А_к текстурный параметр, измеренный на пробной заготовке на основе наполнителя и связующего; А_c текстурный параметр, измеренный на пробной заготовке на основе одного связующего.

Для сопоставления степени совместимости различных пар "наполнитель-связующее" необходимо при изготовлении пробных заготовок композитов использовать фиксированное содержание наполнителя в указанном выше диапазоне. Минимальная температура обработки пробных заготовок 1800^oC выбрана из условия обеспечения достаточно большой абсолютной величины диамагнитной восприимчивости, позволяющей достигнуть требуемой точности определения текстурного параметра.

Изобретение реализуют следующим образом. С целью определения степени совместимости требуемой пары материалов "наполнитель углеродное связующее" готовят из них шихту двух составов, одну из них на основе наполнителя и связующего с содержанием наполнителя в диапазоне 5-40 мас. например, при 20 мас. а другую из одного связующего. Наполнитель и связующее в шихте для получения композита перемешивают до достижения их однородного распределения в объеме. Из шихты обоих составов формуют заготовки произвольных размеров и формы, например, диаметром 12 мм и высотой 20 мм, обжигают их и термообрабатывают до температуры не ниже 1800^oC. Каждую из полученных заготовок измельчают до размеров частиц менее 40 мкм, смешивают дисперсные частицы в ампуле с размягченной термопластичной связкой, например, с расплавленным парафином, помещают ампулу в однородное магнитное поле и с его помощью ориентируют в пространстве частицы, путем вращения и последующей остановки ампулы, формуют образцы отверждением связки, охлаждая парафин при включенном магнитном поле, затем измеряют на полученных образцах диамагнитную восприимчивость в трех взаимно перпендикулярных направлениях и определяют текстурные параметры по формуле где χ_x диамагнитная восприимчивость образца вдоль однородного магнитного поля; χ_z диамагнитная восприимчивость образца вдоль оси вращения; χ_y диамагнитная восприимчивость образца в направлении, перпендикулярном осям x и z.

По величине отношения [1] текстурных параметров A_к и А_c у образцов, полученных из шихты обоих составов, судят о степени совместимости связующего и наполнителя: чем меньше величина Т, тем выше степень совместимости. Сопоставление степени совместимости для разных пар "наполнитель-связующее" проводят при фиксированном содержании наполнителя в составе шихты для получения пробных заготовок композитов.

Пример 1. Для разработки оптимальной технологии композитов изучали влияние температуры термической обработки углеродного волокна на основе полиакрилонитрила на степень совместимости волокна с высокотемпературным каменноугольным пеком. С этой целью готовили образцы волокна с температурами обработки 800, 1700, 2400 и 2800^oC.

Волокно измельчали до линейных размеров ≈1 мм и на его основе готовили пробные заготовки композитов путем холодного смешивания с измельченным пеком, формования заготовки диаметром 12 мм и высотой 20 мм, обжига при 900^oC и термообработки при 2400^oС. Пробную заготовку на основе одного пека готовили по тому же режиму обжига и термообработки. Полученные заготовки измельчали до размера частиц менее 40 мкм. Частицы смешивали с расплавленным парафином и ориентировали однородным магнитным полем, вращая образец вокруг оси, перпендикулярной направлению поля, с последующей его остановкой. Затем охлаждали ампулу с образцом до комнатной температуры при включенном магнитном поле. Отформованные образцы извлекали из ампулы, методом Фарадея измеряли их диамагнитную восприимчивость в трех взаимно перпендикулярных направлениях и вычисляли текстурные параметры A_к и A_c по формуле [2] и Т по формуле [1] Результаты измерений представлены в табл. 1. Как следует из данных табл. 1, максимальное значение текстурного параметра наблюдалось у композитов на основе волокна, обработанного при 2400^oC. Таким образом, для повышения степени совместимости исследованных компонентов следует обрабатывать волокно при температурах выше или ниже 2400^oC. Промышленные композиты на основе данных компонентов содержат свыше 60 мас. наполнителя, что не позволило использовать способ по прототипу. Как видно из табл. 1, при 40 мас. наполнителя значение текстурного параметра Т практически постоянно в пределах погрешности эксперимента. Поэтому в данном случае для анализа степени совместимости наполнителя и связующего было целесообразно использовать меньшие содержания наполнителя.

Пример 2. С целью подбора оптимального компонентного состава композитов сопоставляли степень совместимости двух типов связующих среднетемпературного каменноугольного и среднетемпературного нефтяного пеков, с двумя типами наполнителя углеродными волокнами, полученными с различных фирм и условно обозначенными номерами 1 и 2. Для решения поставленной задачи готовили четыре пробных заготовки на основе пеков и волокон обоих типов. Пробные заготовки композитов содержали 10 мас. волокна. Технология изготовления пробных заготовок, подготовка и измерение образцов совпадала с изложенной в примере 1. Результаты экспериментов представлены в табл. 2.

Как следует из данных табл. 2, минимальное значение текстурного параметра Т наблюдалось на композиции из волокна N 2 и каменноугольного пека, которая и была выбрана для производства композитов. Выбранная композиция позволила достичь требуемых эксплуатационных характеристик.

Следует отметить, что у заготовок на основе одного и того же связующего, но разных наполнителей наблюдались практически одинаковые значения текстурного параметра А_к (по прототипу), но существенно различные значения параметра Т (по предлагаемому способу).

Таким образом, определение текстурного параметра композитов на основе углеродного связующего по предлагаемому способу позволяет решать задачу определения степени совместимости наполнителя со связующим и оптимальным образом подбирать компонентный состав композитов для достижения требуемых эксплуатационных характеристик.

Формула изобретения

Способ определения степени совместимости связующего и наполнителя в углерод-углеродных композитах, включающий изготовление пробных образцов композита и оценку их текстурных характеристик, отличающийся тем, что предварительно готовят два пробных образца на одном и том же углеродном связующем, причем один из образцов изготавливают с наполнителем из шихты композита и углеродного связующего, смешивают их при фиксированном в пределах 5-50 мас. -ном содержании наполнителя, а второй из одного лишь связующего, используемого в исследуемом композите, оба образца формуют, обжигают и термически обрабатывают до температуры не ниже 1800^oС, затем дробят, измельчают и в виде наполнителя композитного порошка связующего в отдельности смешивают с термопластичным неуглеродным связующим, полученные массы формуют в виде пары вспомогательных образцов в размягченном состоянии в магнитном поле при их вращении и после прекращения вращения охлаждают до отверждения термопластичного связующего, измеряют их диамагнитные восприимчивости, при этом текстурные характеристики оценивают как обобщенный текстурный параметр А по формуле

где х_х диамагнитная восприимчивость образца вдоль вектора магнитной индукции;
х_у диамагнитная восприимчивость образца в перпендикулярном осям X и Z направлении;
х_Z диамагнитная восприимчивость образца вдоль оси вращения,
а степень совместимости углеродного связующего и углеродного наполнителя в исследуемом композите определяют по формуле
Т А_к/А_с,
где А_к текстурный параметр, измеренный на вспомогательном образце с композитным наполнителем;
А_с текстурный параметр, измеренный на вспомогательном образце с наполнителем из одного связующего.

РИСУНКИ

Рисунок 1