Автореферат (Разработка технологии изготовления углерод-углеродного композиционного материала на основе нетканого окисленного полиакрилонитрила)

На правах рукописиЕЛАКОВ Александр БорисовичРАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ УГЛЕРОД-УГЛЕРОДНОГОКОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ НЕТКАНОГООКИСЛЕННОГО ПОЛИАКРИЛОНИТРИЛАСпециальность 05.16.06 ̶ Порошковая металлургия и композиционные материалыАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукСанкт-Петербург – 20182Работа выполнена в Акционерном обществе «Композит» (АО «Композит»,до 01.06.2018 – ОАО «Композит»), г. КоролевНаучный руководитель:кандидат технических наук Богачев Евгений Акимович,начальник отделения керамоматричных композитов и окислительностойких покрытийКомплекса «Неметаллические материалы» АО «Композит» (г.

Королев)Официальные оппоненты:доктор технических наук, профессор Колесников Сергей Анатольевич,начальник управления разработки и внедрения углерод-углеродных композиционныхматериалов АО «Научно-исследовательский институт конструкционных материалов наоснове графита» (г. Москва)кандидат технических наук, доцент Кулик Виктор Иванович,профессор кафедры «Технология конструкционных материалов и производстваракетно-космической техники» ФГБОУ ВО «Балтийский государственный техническийуниверситет «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова» (г.

Санкт-Петербург)Ведущая организация:АО «Центральный научно-исследовательский институт материалов»(г. Санкт-Петербург)Защита состоится « »2018г. в 16 00 часов на заседании диссертационногосовета Д 212.229.03 при Федеральном государственном автономном образовательномучреждении высшего образования «Санкт-Петербургский политехнический университетПетра Великого» по адресу: 195251, г. Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 29,главный корпус, ауд.

118.С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ФГАОУ ВО«СПбПУ» и на сайте www.spbstu.ru.Автореферат разослан "" ____________ 2018г.Ученый секретарьдиссертационного совета Д 212.229.03кандидат технических наукШвецов О.В.3ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы исследованияХорошо известно широкое применение графитов в высокотемпературных изделияхиз-за своей жаропрочности и однородности структуры и свойств (пресс-формы длягорячего прессования, тигли, вкладыши критического сечения сопла и др.). Однакографиты из-за отсутствия армирования не обладают высокими прочностными свойствамии не являются стойкими к термоудару.

Углерод-углеродные композиционные материалы(УУКМ), обладая более высокой прочностью, имеют низкую структурную однородностьиз-за крупных ячеек армирования, что определяет их относительно высокий эрозионныйунос при интенсивном термохимическом воздействии. Эти материалы производятся наоснове дорогостоящих углеродных волокон, а технологический процесс их получениязанимает несколько месяцев.Современные тенденции развития диктуют необходимость все более широкогоиспользования нетканых материалов в производстве УУКМ.

Французская фирма Snecmaприменяет в производстве каркасов Novoltex слои нетканого окисленногополиакрилонитрила (ПАНа), стоимость которого в 8-10 раз меньше углеродного волокна,используя практичную и производительную иглопробивную технологию. КаркасNovoltex состоит из слоев углеродных лент, перемежающихся со слоями окисленногонетканого ПАНа, армированных теми же волокнами ПАНа, протянутыми иглами сзазубринами из предыдущих слоев.

Промышленное производство конструкционныхУУКМ с использованием нетканых наполнителей в Российской Федерации отсутствует.Актуальным представляется создание углерод-углеродного композиционногоматериала, обладающего прочностными свойствами УУКМ и однородной измельченнойструктурой графитов, сочетая для его получения недорогое нетканое сырье с простотой ипроизводительностью иглопробивной технологии.

Это открывает новые возможностидля изготовления сложнопрофилированных деталей типа остроконечных кромоквысокоскоростных летательных аппаратов, тонких электродов ионно-оптических систем,пресс-форм для горячего прессования, а также широкие возможности для мехобработки.Из актуальности вытекает цель и сформулированы задачи диссертационной работы.Цель и задачи диссертационной работыЦелью диссертационной работы являлась разработка базовой технологическойсхемы изготовления углерод-углеродного композиционного материала на основенетканого окисленного полиакрилонитрила (ПАНа), сочетающего в себе прочностныесвойства традиционных УУКМ с однородной измельченной структурой графитов.Для достижения цели поставлены и решены следующие задачи:- проведен анализ научной, технической и патентной литературы в областиуглеродных материалов, сырья и технологии их получения;4- исследованы возможности применения окисленного ПАНа для формированиямассивных углеродных преформ и УУКМ на их основе; экспериментально исследованавозможность получения углеродных каркасов из иглопробивных ПАН-заготовок сиспользованием прессования; определена оптимальная плотность спрессованныхкаркасов; разработаны технологические режимы для перевода каркаса из окисленногоПАН в углеродное состояние с учетом последствий экзотермического эффекта;- на основе способа намотки нетканого холста на оправку разработана технологияполучения цилиндрического иглопробивного каркаса (ИПК); проведено сравнение двухтехнологических вариантов (с радиальным иглопробиванием и без него) приформировании цилиндрических углеродных каркасов на основе окисленного ПАН;- методами математического моделирования проведен сравнительный анализнапряженно-деформированного состояния при намотке нетканогоцилиндрическую металлическую оправку в обоих вариантах технологии;ПАН-холста на- исследована кинетика уплотнения углеродных ИПК углеродной матрицей наоснове кокса каменноугольного пека;- определен комплекс физико-механических, теплофизических свойств иисследована микроструктура получаемых каркасов и УУКМ на их основе;- проведено сравнение эрозионной стойкости высокоплотных УУКМ на нетканойоснове и эрозионной стойкости известных марок УУКМ.Научная новизна1.

Показана принципиальнаявозможностьполученияконструкционныхмелкоячеистых УУКМ из нетканого окисленного ПАНа путем примененияиглопробивной технологии в сочетании с прессованием на стадии формированияполимерных заготовок и дальнейших термообработок для получения армирующегоуглеродного каркаса с дальнейшим уплотнением углеродной матрицей жидкофазнымили газофазным способами.2. Установлен интервал значений объемной плотности прессования заготовок каркасов(от 0,70 до 0,90 г/см3), при котором достигается конструкционная прочность каркаса безструктурных макродефектов – трещин, расслоений. Выявлено, что меньшая плотностьзаготовки приводит к потере устойчивости слоев и не позволяет достичь конструкционнойпрочности каркаса, а бóльшие значения плотности приводят к перепрессовке, в результатекоторой затрудняется отвод летучих при термообработке.

Определены закономерностипрессования применительно к различным направлениям относительно укладкииглопробитых холстов. Установлено, что прессование при приложении усилия сжатия понормали к плоскости укладки полимерных холстов происходит легче и сопровождаетсябОльшими перемещениями, чем в случае приложения усилия сжатия параллельноплоскости укладки за счет первоначального уплотнения в первом случае за счет ликвидации5межслоевых воздушных прослоек, а на последующей стадии – за счет гибкой деформацииотносительно тонких армирующих волокон, связывающих слои монохолстов послеиглопробивания.3.

Показано, что экзотермический эффект при термообработке уплотненногомассивного каркаса из окисленного ПАНа проявляется уже при температурах (150160) °С, в отличие от литературных данных, полученных на ПАН-жгутах, где его влияниеначинается при температурах (190-205) °С. Проявление экзотермического эффекта приотносительно невысоких температурах может привести к интенсивному внутреннемуразогреву каркаса и пережогу волокна.4. Предложена математическая модель напряженно-деформированного состоянияполимерного холста при его намотке на цилиндрическую стальную оправку(аналитическая модель механики фронтально растущего тела), показывающая, чторадиальное армирование полимерного цилиндрического каркаса приводит к снижениюкоэффициента Пуассона и позволяет добиться устойчивости слоев намотанного холстапри сжатии и термообработке каркаса.5.

В результате исследования кинетики насыщения выявлено, что углеродныепреформы на основе нетканого окисленного ПАНа имеют более высокую скоростьуплотнения матрицей на основе кокса каменноугольного пека по сравнению состержневым каркасом за счет более измельченной структурной ячейки нетканогокаркаса, позволяющей удерживать расплавленный пек благодаря капиллярному эффекту.6. Определен комплекс физико-механических и теплофизических характеристикполученных УУКМ с двумя типами матриц (кокс пека, пиролитический углерод),получены сравнительные результаты испытаний на газоплотность и эрозионнуюстойкость.Практическая значимостьРазработана технологическая схема изготовления мелкоячеистых конструкционныхУУКМ на основе нетканого иглопробивного каркаса Ипресскон® из окисленного ПАНа,позволяющая в несколько раз уменьшить сроки полного технологического циклапроизводства УУКМ по сравнению с традиционными каркасами на нитяной основе.Получены конструкционные УУКМ на основе углеродного каркаса Ипресскон® с двумятипами матриц (кокс каменноугольного пека и пиролитический углерод), из которыхизготовлены массивные заготовки изделий типа втулки с внешним диаметром 175 мм и типаблока с длиной одной из сторон около 700 мм.