Способ получения углерод-углеродного композиционного материала

Изобретение относится к области получения теплозащитных материалов. Собирают стержневой каркас из углеродного волокна, скрепленного водным раствором поливинилового спирта. После сборки производят его фиксацию на глубину технологического припуска связующим, например эпоксидным или бакелитовым лаком. Выдерживают в воде, нагретой до температуры 60-70°С, в течение не менее 1,5-2 часов. Насыщают каркас углеводородной матрицей. Изобретение позволяет получить композиционный материал, стойкий к окислению и эрозии при воздействии высоких температур и давлений.

 

Изобретение относится к области получения теплозащитных материалов, стойких к эрозионному разрушению при воздействии высоких температур и давлений.

Известен способ получения углерод-углеродного композита, стойкого к окислению [1], включающий изготовление каркаса из углеродного волокнистого материала и его нагрев и выдержку в потоке газообразных углеводородов, причем каркас изготовляют путем набора стержней из углеродного волокна в пучок цилиндрической формы, после чего каркас армируют углеродным волокном, а нагрев осуществляют прямым пропусканием электрического тока через армированный каркас до температуры 900…950°C, при этом в качестве газообразных углеводородов используют природный газ.

Недостатком этого способа является то, что полученные на стержневой машине стержни из углеродного волокна, пропитанного водным раствором поливинилового спирта, сохраняют свою форму и после насыщения каркаса углеводородной матрицей, т.е. волокна остаются уплотненными и объемная доля матрицы в них оказывается минимальной, а межстержневые пространства оказываются заполненными только углеводородной матрицей, т.е. неармированными. Это негативно проявляется при использовании такого материала в качестве теплозащитного покрытия для спасаемых космических объектов, так как углеродное волокно и углеводородная матрица имеют различную прочность при воздействии высокотемпературного газового потока. Это ведет к увеличению шероховатости поверхности теплозащитного покрытия, а следовательно, к повышению температуры и, как следствие, повышению скорости эрозионного уноса (разрушения). Кроме того, углеродные волокна и углеводородная матрица имеют различные коэффициенты температурного расширения. У матрицы они значительно больше. Это приводит к тому, что углеродные волокна, оставаясь в композите прямолинейными и напряженными, в следствие того, что стержни на стержневой машине получаются методом протяжки через фильеру, склонны к разрыву при воздействии на композит высоких температур. Это особенно характерно для углерод-углеродных композитов высокой плотности (1,98 г/см³ и выше).

Наиболее близким по технической сущности к патентуемому изобретению является способ получения углерод-углеродного материала [2], включающий последовательные процессы пропитки заготовки расплавленными углеводородами и карбонизации в герметизированном контейнере в аппарате высокого давления, где в качестве передающей давление среды используют кварцевый песок, извлечения заготовки и графитации в вакууме, причем эти процессы повторяют до получения материала с плотностью 1,96-2,01 г/см³, при этом углеводороды в виде слоя размещают на дне контейнера, на слое размещают заготовку, а пространство между боковыми поверхностями контейнера и заготовки заполняют порошковым материалом, теплопроводность которого превышает теплопроводность расплавленных углеводородов, при этом порошковый материал берут с размерами зерен, которые препятствуют их проникновению в поры заготовки, причем для первого процесса пропитки и карбонизации берут заготовку, выполненную в виде многонаправленного армирующего каркаса из углеродного материала, например из углеродного волокна.

Углерод - углеродный материал, изготовленный по этому способу, получается более изотропным по физико-механическим характеристикам в сравнении с ранее описанным, но обладает такими же недостатками, что и композит, получаемый по первому способу. Несмотря на указанные недостатки, техническое решение, защищенное патентом RU 2119469, может быть принято в качестве прототипа, как наиболее близкий аналог.

Задачей настоящего изобретения является разработка способа получения углерод-углеродного композита, стойкого к окислению и эрозионному разрушению (уносу) при воздействии высоких температур и давлений.

Поставленная задача решается тем, что каркас перед насыщением углеводородной матрицей выдерживается в течение заданного времени в воде, нагретой до температуры 60…70°C, в результате чего происходит растворение и последующее за этим вымывание поливинилового спирта из стержней, при этом углеродные волокна занимают полнее свободные пространства. Стержни занимают образовавшиеся объемы и углеродная матрица равномернее распределяется в композите, в результате чего он становится более изотропным.

Предлагаемый способ повышает эрозионную стойкость и прочность материала при воздействии высоких температур и давлений.

Патентуемый способ осуществляется следующим образом.

Сначала изготавливается каркас путем набора его из стержней из углеродного волокна, в которых в качестве связующего используется водный раствор поливинилового спирта. Армированный в 2, 3, 4 или более направлениях каркас фиксируется на глубину технологического припуска, например, эпоксидным связующим или бакелитовым лаком, и каркас в таком виде погружается в подогретую до 60…70°C воду и выдерживается в течение не менее 1,5…2 часов. В процессе выдержки каркаса в подогретой воде поливиниловый спирт стержней растворяется и вымывается, и углеродные волокна освобождаются от связующего. Стержни занимают образовавшиеся объемы, углеводородная матрица равномернее распределяется в композите, и он становится более изотропным. При этом с волокон снимаются контактные напряжения, имеющие место в стержневом каркасе, а также напряжения, полученные при протяжке через фильеру на стержневой машине. Все это повышает эрозионную стойкость и прочность материала при воздействии высоких температур и давлений.

Источники информации

1. Патент RU 2090497, кл. МПК C01B 31/02. Способ получения углерод-углеродного композита, стойкого к окислению. Приоритет от 20.02.1995 г.

2. Патент RU 2119469, кл. МПК C04B 35/52. Способ получения углеродного материала. Приоритет от 26.09. 1996 г.

3. Патент RU 2016843, кл. МПК C01B 31/02. Способ получения углерод-углеродного композиционного материала. Приоритет от 30.07.1994 г.

4. Патент RU 2170220, кл. МПК C04B 35/83. Способ получения углерод-углеродного композиционного материала. Приоритет от 09.11.1999 г.

Способ получения углерод-углеродного композиционного материала, стойкого к окислению и эрозии при воздействии высоких температур и давлений, основанный на сборке стержневого каркаса из углеродного волокна, скрепленного водным раствором поливинилового спирта, и последующем насыщении каркаса углеводородной матрицей, отличающийся тем, что после сборки каркаса перед насыщением углеводородной матрицей производят его фиксацию на глубину технологического припуска связующим, например эпоксидным или бакелитовым лаком, а затем выдерживают в воде, нагретой до температуры 60-70°С в течение не менее 1,5-2 ч.