Способ изготовления пористого каркаса-основы композиционного материала

Изобретение относится к производству изделий из высокотемпературных композиционных материалов. Согласно способу проводят прессование волокнистого полимерного материала с высоким коксовым остатком и его карбонизацию неокислительным отжигом. Прессование проводят при равномерном увеличении температуры в интервале 150-1400°С и избыточном давлении в интервале 0,05-50 МПа в течение 5-50 ч. Полимерный материал используют в виде отрезков волокон, лент или ткани толщиной 0,02-1,0 мм, из которых предварительно формируют многослойные заготовки требуемых размеров. Технический результат заключается в упрощении способа и повышении его оперативности. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к производству изделий из высокотемпературных композиционных материалов 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.

Кроме того, известен способ получения каркаса-основы композиционного материала марки Novoltex, принятый за аналог [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 №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 этого 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 на уровне металлической.

Наиболее близким к предлагаемому по совокупности существенных признаков является способ получения каркаса-основы композиционного материала [RU 2620810, C1, В29С 70/34, 29.05.2017] заключающийся в том, что подвергают иглопробиванию штапельный полимерный материал с высоким коксовым остатком и проводят его карбонизацию неокислительным отжигом, при этом, 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, причем, 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.

Особенностью способа является то, что, в качестве связующего используют четвертичный аминоэтоксилат.

Недостатком наиболее близкого технического решения является относительно высокая сложность, что обусловлено необходимостью предварительно изготовить нетканые холсты из полимерного материала с высоким коксовым остатком, для которых требуется обеспечить определенную длину штапельных волокон и их извитость, а также относительно низкая оперативность получения каркаса-основы, вызванная длительностью ее получения из-за иглопробивания и многостадийности технологии, что обусловливает относительно низкую экономичность способа.

Задача, которая решается в изобретении, заключается в упрощении способа при сохранении показателей качества получаемого каркаса-основы композиционного материала.

Требуемым техническим результатом при использовании изобретения является упрощение способа и повышение его оперативности за счет реализации быстрого и одностадийного получения каркаса-основы композиционного материала из волокон углерода, карбида кремния, нитрида кремния и т.п., обладающего прочностью для последующего уплотнения углеродной или керамической матрицей и сохранении других показателей качества не ниже реализуемых известными способами.

Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что, в способе получения каркаса-основы композиционного материала, заключающемся в том, что подвергают прессованию волокнистый полимерный материал с высоким коксовым остатком и проводят его карбонизацию неокислительным отжигом, согласно изобретению, прессование волокнистого полимерного материала с высоким коксовым остатком проводят при равномерном увеличении температуры в интервале 150-1400°С и избыточном давлении в интервале 0,05-50 МПа в течение 5-50 час, при этом полимерный материал с высоким коксовым остатком используют в виде отрезков волокон, лент или ткани толщиной 0,02-1,0 мм, из которых предварительно формируют многослойные заготовки требуемых размеров.

Способ получения каркаса-основы композиционного материала осуществляется следующим образом.

Из сформированного на формовочной машине и намотанного на бобину термостабилизированного волокнистого полимерного материала с высоким коксовым остатком, например, поликарбосилана, полисилазана или другого полимера, образующего после неокислительного отжига высокий коксовый остаток в виде углерода, карбида, оксикарбида кремния, нитрида, карбонитрида кремния или другого неорганического соединения углеродного или керамического типа, текстильным или каким-либо иным способом получают элементарную нить, ленту или ткань, которую нарезают на отрезки необходимого размера. Далее из полученных отрезков набирают заготовки требуемой формы, например, плоские или цилиндрические, которые подвергают прессованию в интервале температур 150-1400°С и давлений 0,05-50 МПа в течение 5-50 ч. При этом следует иметь ввиду, что использование меньших, чем указанных в интервалах температур, давлений и времени не позволяет получить требуемое изделие, а превышение интервальных значений ведет к ухудшению качественных характеристик и к неоправданному расходу ресурсов.

В ходе нагрева под давлением вначале происходит диффузия макромолекул полимера в местах контакта полимерных волокон друг с другом, результатом которой является своеобразная "сшивка" каркаса. Далее протекает пиролиз полимерных волокон, сопровождающийся усадкой и сохранением значительной прочности каркаса. Сочетание прикладываемого давления и температуры, а также происходящая усадка способствует сохранению скрепления заготовки без традиционно применяемых для этого высокококсовых связующих, причем плотность получаемых каркасов (до 0,4-0,5 ρ_{волокна}) и объемная доля волокна в них позволяет изготавливать в том числе силовые конструкции. Заневоливание волокон в объеме прессовки способствует их натяжению в ходе перехода из полимерного в неорганическое состояние, что способствует получению достаточно прочных волокон непосредственно в преформе при ее переводе из органического в неорганическое состояние. Характерный вид полученного предложенным способом каркаса-основы композиционного материала из волокон карбида кремния приведен на изображении.

Таким образом, благодаря тому, что, прессование полимерного материала с высоким коксовым остатком проводят в один этап в интервале температур 150-1400°С и давлений 0,05-50 МПа в течение 5-50 ч, а полимерный материал с высоким коксовым остатком используют в виде отрезков элементарных волокон, ленты или ткани толщиной 0,02-1,0 мм, из которых предварительно формируют многослойные заготовки требуемых размеров, достигается требуемый технический результат, заключающийся в упрощение способа и повышение его оперативности за счет реализации быстрого и одностадийного получения каркаса-основы композиционного материала.

1. Способ получения каркаса-основы композиционного материала, в котором подвергают прессованию волокнистый полимерный материал с высоким коксовым остатком и проводят его карбонизацию неокислительным отжигом, отличающийся тем, что прессование волокнистого полимерного материала с высоким коксовым остатком проводят при равномерном увеличении температуры в интервале 150-1400°C и избыточном давлении в интервале 0,05-50 МПа в течение 5-50 ч, при этом полимерный материал с высоким коксовым остатком используют в виде отрезков волокон, лент или ткани толщиной 0,02-1,0 мм, из которых предварительно формируют многослойные заготовки требуемых размеров.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве волокнистого полимерного материала с высоким коксовым остатком используют материал, выбранный из поликарбосилана или полисилазана.