Способ изготовления пористого каркаса-основы композиционного материала

Изобретение относится к производству изделий из высокотемпературных композиционных материалов и может быть применено в авиационной, ракетно-космической и железнодорожной промышленности, в двигателестроении и энергетическом машиностроении. Для изготовления пористого каркаса-основы штапельный полимерный материал с высоким коксовым остатком в виде нетканых холстов подвергают иглопробиванию с целью его разволокнения. Наносят на разволокненные холсты связующее, а затем производят их прессование при температуре 120-200°С и давлении 3-5 МПа в течение 10-12 ч и остужают перед карбонизацией до комнатной температуры. Карбонизацию проводят путем обжига при температуре 1000°С в течение 1-2 ч с одновременным прессованием давлением 0,1-0,15 МПа. Используют связующее, плавящееся при температуре прессования, затвердевающее при комнатной температуре и полностью разлагающееся при карбонизации. Обеспечивается повышение качества каркаса-основы композиционного материала за счет придания ему поверхностной шероховатости не выше металлической. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к производству изделий из высокотемпературных композиционных материалов (КМ) для различных применений, включая авиационную и ракетно-космическую технику, двигателестроение, железнодорожную технику, энергетическое машиностроение и др.

Известен способ изготовления пористого каркаса-основы композиционного материала, включающий операции прессования и неокислительного отжига (карбонизации) пористой волокнистой заготовки [И.М. Буланов, В.В. Воробей. Технология ракетных и аэрокосмических конструкций из композиционных материалов. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1998. - 516 с.]. Согласно этому способу изготовление каркаса-основы композиционного материала производят путем пропитки наполнителя в виде нити, ленты или ткани связующим с высоким коксовым остатком, который прессуют в соответствии с требуемой формой изделия, и проводят неокислительный отжиг (карбонизацию).

Получаемый по такому способу каркас-основа композиционного материала из-за относительно грубой дискретности волокнистого наполнителя в виде нити, ткани или стержневого каркаса имеет неоднородную структуру, которая проявляется при шлифовании поверхности, что не позволяет, в частности, обеспечить на поверхности изделия шероховатость, сравнимую, например, с шероховатостью металла, что необходимо для ряда применений в качестве элементов конструкции (лопатки турбин, кромки крыльев и т.д.).

Требуемую однородность поверхностной структуры каркаса-основы можно обеспечить, используя короткие волокна (длиной до нескольких миллиметров). Такие хаотично армированные композиты широко используются, в частности, в тормозах для авиационной техники и высокоскоростного транспорта. Однако комплекс физико-механических характеристик получаемых из них композитов (прежде всего, прочность при растяжении) из-за низкой объемной доли волокна не позволяет использовать их в качестве конструкционных элементов для большого класса изделий.

Наиболее близким к предлагаемому способу по совокупности существенных признаков является способ получения каркаса-основы композиционного материала марки Novoltex, принятый за прототип [Alain LACOMBE, Thierry PICHON, Marc LACOSTE. 3D Carbon-Carbon composites are revolutionizing upper stage Liquid Rocket Engine performance by allowing introduction of large nozzle extension. 50th AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC Structures, Structural Dynamics, and Materials Conference<br>17^th 4-7 May 2009, Palm Springs, California. Paper N° AIAA 2009-2678 / 119-SDM-75 High Temperature Materials session A. LACOMBE], включающий использование наполнителя в виде нити, ленты или ткани, слои которого соединяют методом иглопробивания со слоями разволокненного методами нетканых технологий штапельного полимерного волокна - окисленного полиакрилонитрила с высоким коксовым остатком, а затем карбонизуют для перевода полимерного компонента каркаса в неорганическое состояние.

Недостатком наиболее близкого по технической сущности способа является относительно узкая область его применения, поскольку он позволяет получать каркас-основу композиционного материала при приемлемом размере пор в пределах одного слоя (от 4 до 20-25 мкм), однако обладает значительным межслоевым пространством в каркасе типа Novoltex (0,75 мм), что не позволяет получить поверхностную шероховатость не выше, например, металлической.

Задачей, которая решается в изобретении, является расширение области применения способа с целью получения каркаса-основы композиционного материала, обладающего высокой температурной стойкостью, высокой прочностью и поверхностной шероховатостью не более шероховатости металла.

Требуемый технический результат заключается в расширении области применения способа с целью повышения качества и получения каркаса-основы композиционного материала, обладающего поверхностной шероховатостью не выше металлической.

Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что в способе, заключающемся в том, что подвергают иглопробиванию штапельный полимерный материал с высоким коксовым остатком и проводят последующую карбонизацию неокислительным отжигом, согласно изобретению в качестве штапельного полимерного материала с высоким коксовым остатком, который подвергают иглопробиванию для его разволоконения, используют нетканые холсты из такого материала, наносят на разволоконенные холсты связующее, а затем производят их прессование при температуре 120-200°С и давлении 3-5 МПа в течение 10-12 ч, а перед карбонизацией остужают до комнатной температуры, при этом используют связующее, плавящееся при температуре прессования, затвердевающееся при комнатной температуре и полностью разлагающееся при карбонизации, которую проводят путем обжига при температуре 1000°С в течение 1-2 ч с одновременным прессованием давлением 0,1-0,15 МПа.

Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что в качестве связующего используют замасливатель (например, четвертичный аминоэтоксилат), который наносится на штапельные волокна перед расчесом для обеспечения разволоконения.

На фиг. 1 представлена микроструктура углеродного каркаса-основы Novoltex, изготовленного по способу-прототипу, на фиг. 2 - микроструктура углеродного каркаса-основы по предлагаемому изобретению.

Способ изготовления пористого каркаса-основы композиционного материала осуществляется следующим образом.

Из штапелированного полимерного волокна длиной 50-60 мм, средней извитости и линейной плотностью 5 dtex на основе окисленного полиакрилонитрила, поликарбосилана, полисилазана или другого полимера, образующего после отжига высокий коксовый остаток соответственно в виде углерода, карбида или оксикарбида кремния, нитрида или карбонитрида кремния или другого неорганического соединения углеродного или керамического типа, методами нетканых технологий формируют холст, из которого набирают плоские или тубулярные заготовки, подвергают их иглопробиванию, а последующее нагревание основы композиционного материала производят до температуры 120-200°С и прессуют давлением 3-5 МПа в течение 10-12 ч при остывании до комнатной температуры, а карбонизацию после нагревания и прессования основы проводят путем обжига при температуре 1000°С в течение 1-2 ч с одновременным прессованием давлением 0,1-0,15 МПа.

Предварительно, перед формированием холста, на поверхность штапелированных волокон разбрызгиванием или каким-либо иным методом наносят слой органического вещества, плавящегося при температуре прессования 120-200°С и затвердевающего при комнатной температуре. Таким веществом может быть специально наносимый на поверхность штапельных волокон для облегчения прочеса замасливатель. По этой причине спрессованная заготовка сохраняет свою форму и размеры при комнатной температуре после снятия давления.

В ходе отжига происходит также пиролиз полимерных волокон, сопровождающийся значительной усадкой без потери нитями коксового остатка гибкости и сохранением значительной прочности. Усадка способствует скреплению заготовки без традиционно применяемых для этого высокококсовых связующих, причем плотность получаемых каркасов и объемная доля волокна в них позволяет изготавливать в том числе силовые конструкции (до 0,4-0,5 ρ_{волокна}). Заневоливание штапелированных волокон в объеме прессовки способствует их натяжению в ходе перехода из полимерного в неорганическое состояние, что способствует получению достаточно прочных волокон. Характерный размер структурной ячейки такого каркаса (фиг. 2) имеет размер от 4 до 29 мкм, что более чем в 25 раз меньше аналогичного размера каркаса Novoltex (фиг. 1).

Таким образом, достигается требуемый технический результат, заключающийся в расширении области применения способа с целью повышения качества и получения каркаса-основы композиционного материала, обладающего поверхностной шероховатостью не выше металлической.

1. Способ изготовления пористого каркаса-основы композиционного материала, заключающийся в том, что подвергают иглопробиванию штапельный полимерный материал с высоким коксовым остатком и проводят его карбонизацию неокислительным отжигом, отличающийся тем, что в качестве штапельного полимерного материала с высоким коксовым остатком, который подвергают иглопробиванию для его разволокнения, используют нетканые холсты из такого материала, наносят на разволокненные холсты связующее, а затем производят их прессование при температуре 120-200°С и давлении 3-5 МПа в течение 10-12 ч, а перед карбонизацией остужают до комнатной температуры, при этом используют связующее, плавящееся при температуре прессования, затвердевающее при комнатной температуре и полностью разлагающееся при карбонизации, которую проводят путем обжига при температуре 1000°С в течение 1-2 ч с одновременным прессованием давлением 0,1-0,15 МПа.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве связующего используют четвертичный аминоэтоксилат.