Автореферат (Разработка технологии изготовления углерод-углеродного композиционного материала на основе нетканого окисленного полиакрилонитрила), страница 2

Из полученных УУКМ изготовленымакетные образцы вкладышей критического сечения сопла и газодинамического руля.Проведены их успешные испытания на эрозионную стойкость.Физико-механические и теплофизические свойства полученных материаловпозволяют использовать изделия из УУКМ на нетканой основе взамен графита и6традиционных УУКМ для теплонагруженных деталей и узлов. В ОАО «Композит»используется цилиндрическая силовая обечайка диаметром Ø160 мм пресс-формыгорячего прессования.

Благодаря достигнутой шероховатости поверхности (Ra ̶ от 0,6 до0,8) после полировки и высокой газоплотности полученных конструкционных УУКМопределена возможность их использования для тонких или сложно профилированныхизделий. Изготовлен и испытан на стенде НИИ ПМЭ МАИ ускоряющий электродионно-оптической системы высокочастотного ионного двигателя малой мощности столщиной стенки 1,5 мм; изготовлен и испытан на стенде теплозащитный перфорированныйэкран (толщина стенки 2,0 мм, количество отверстий - 936) теплонагруженного узлаперспективного изделия ГНЦ ФГУП «Центр Келдыша». По указанным изделиямполучены акты внедрения. Получен патент РФ № 2620810 на способ изготовленияпористого углеродного каркаса ̶ основы композиционного материала. Полученосвидетельство № 637135 на товарный знак каркаса на нетканой основе марки Ипресскон®.Достоверность полученных результатовДостоверность полученных результатов диссертационной работы обеспеченаприменением стандартных и современных методов исследований, апробированныхметодов механических испытаний, а также большим объемом экспериментальногоматериала с использованием статистической обработки результатов измерений.

Научныеположения и выводы по работе имеют теоретическое обоснование и не противоречатизвестным научным представлениям и результатам. Достоверность результатовисследований и выводов подтверждена результатами производственных испытаний.Апробация работыРезультаты работы были доложены наXVII Ежегодной научной конференции отдела полимеров «Полимеры-2016»,ФГБУН Институт химической физики им. Н.Н. Семенова РАН, Москва, февраль 2016 г.;VI Международной конференции c элементами научной школы для молодежи«Функциональные наноматериалы и высокочистые вещества», г. Суздаль, октябрь2016 г.; XVIII Ежегодной научной конференции отдела полимеров «Полимеры-2017»,ФГБУН Институт химической физики им. Н.Н.

Семенова РАН, Москва, февраль 2017 г.;7-ой Всероссийской конференции с международным участием «Механикакомпозиционных материалов и конструкций, сложных и гетерогенных сред» им.И.Ф.Образцова и Ю.Г.Яновского, Москва, ноябрь 2017 г.; XLII Академических чтенияхпо космонавтике «Королевские чтения», Москва, январь 2018 г.На защиту выносятся:1. Технология получения конструкционных мелкоячеистых УУКМ на основенетканого окисленного полиакрилонитрила с применением иглопробивной технологии ипрессования.72. Закономерности формирования и изменений микроструктуры и открытойпористости объемных заготовок по стадиям технологических переделов.3.

Экспериментальная оценка экзотермического эффекта в уплотненном каркасе изокисленного ПАНа в процессе трансформации в углеродный каркас.4. Математическая модель напряженно-деформированного состояния при намоткехолста на цилиндрическую металлическую оправку (аналитическая модель механикифронтально растущего тела), сравнительный анализ двух вариантов формированияцилиндрической преформы.5. Результаты экспериментального исследования физико-механических итеплофизических характеристик полученных КМ с двумя типами матриц и результаты ихиспытаний.ПубликацииПо теме диссертации опубликовано 11 печатных научных работ, в том числе1 патент РФ и 4 статьи в научных журналах, рекомендуемых ВАК РФ.Личный вклад автораДиссертация является законченной научной работой, в которой обобщенырезультаты исследований, полученные лично автором и в соавторстве.

Основная роль вполучении и обработке экспериментальных данных, анализе и обобщении результатовпринадлежит автору работы. Обсуждение и интерпретация полученных результатовпроводились совместно с научным руководителем и соавторами публикаций. Основныеположения и выводы диссертационной работы сформулированы автором.Структура и объем работыДиссертация состоит из введения, 5 глав, выводов и списка литературы. Содержаниедиссертации изложено на 144 страницах, иллюстрировано 80 рисунками и 16 таблицами.Список цитируемой литературы включает 150 источников.

Приводится 3 приложенияобщим объемом 4 страницы.ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении дана общая характеристика диссертационной работы, обоснованаактуальность темы исследования, сформулированы цель и задачи исследований,изложена научная новизна и практическая значимость работы, сформулированыосновные положения, выносимые на защиту.Первая глава представляет собой аналитический обзор научной, технической ипатентной литературы, посвященный существующим в настоящее время углероднымвысокотемпературным материалам, их различиям и особенностям, обусловливающихразличные области применения (высокоплотные графиты, УУКМ на ткано-нитяной истержневой основе, УУКМ на основе иглопробивных каркасов, углеродные войлоки).Приведены их основные свойства и особенности структуры, рассмотрены8технологические схемы изготовления, дан анализ их достоинств и недостатков.Рассмотрены особенности нетканых материалов (поверхностная плотность, извитость,штапелирование), возможности их использования для УУКМ и влияние на механическиехарактеристики.Показаны особенности и преимущества иглопробивной технологии и еевозможности применительно к углеродным материалам войлочного типа, в том числегидроструйная обработка (Spunlace-метод), как разновидность иглопробивания.Рассмотрены особенности ПАН-волокон как основного прекурсора для полученияуглеродных волокон.

Показано строение молекулы ПАНа, приведены химическиереакции, сопровождающие окисление ПАН-волокна, освещены особенности его переводаиз полимерного в неорганическое состояние, в том числе непрерывных нитей, характеризменения молекулярной структуры, возникающие при этом трудности и эффекты.Глава заканчивается выводами и постановкой задачи.Во второй главе охарактеризованы исходное сырье и материалы, методикиисследований и оборудование, используемые в работе.В качестве исходного материала для формирования полимерных заготовок каркасовиспользовали нетканое иглопробивное термостойкое полотно марки «ОКСИПАН» ТУ8397-002-45680943-2010 поверхностной плотностью (220-260) г/м2 на основештапельных (нарезанных на отрезки 50-60 мм) волокон окисленного полиакрилонитрила(ПАНа) марки Pyron® линейной плотностью 2,2 dtex, средней извитости, механическипробитое стальными иглами или тонкими (диаметром 100-150 мкм) водяными струямивысокого давления при помощи машины гидроструйной обработкиГЖ-300-1(Spunlace-метод), промышленно производимое в настоящее время ООО «Ниагара».Процессы, протекающие в холсте «ОКСИПАН» при его нагреве, исследовали методомДСК-калориметрии на дифференциальном сканирующем калориметре марки DSC 214Polyma фирмы «Netzsch».

Изменения структуры используемого в работе волокна впроцессе его термостабилизации исследовали методом ИК-спектроскопии наФурье-спектрометре Bruker Optics FT-IR Tensor 27. Анализ концентрации парамагнитныхцентров (ПМЦ) проводился методом электронного парамагнитного резонанса наоригинальной установке ООО «Углехимволокно».Намотку нетканого холста «ОКСИПАНа» для получения крупноразмерноготубулярного каркаса проводили при помощи тубулярной иглопробивной машины DILO.Полимерные заготовки каркасов макетных образцов уплотняли прессованием нагидравлическом прессе марки 100 ТОДБ 2430 номинальным усилием 1000 кН.Крупногабаритные цилиндрические заготовки уплотняли на гидравлическом прессемарки 2238 номинальным усилием 5600 кН в закрытой пресс-форме с внутреннимдиаметром матрицы 190 мм.

Перевод полимерного каркаса в неорганическое состояние9(карбонизацию) проводили в муфельной электропечи сопротивления ТК-64 смикропроцессорным контроллером «ТЕРМО-РН-01.01» в неокислительной среде(коксовая засыпка), температуру измеряли хромель-алюмелевой термопарой.Высокотемпературный отжиг углеродных каркасов проводили в высокотемпературнойвакуумной электропечи СНВГ 16/21, температуру измеряли пирометром марки Impac ISQ 5.Испытания на растяжение элементарной углеродной нити в Ипрессконе проводили намашине Zwick/Roell z005 по ГОСТ 32667.

Определение предела прочности при растяжениии модуля упругости монохолста «ОКСИПАНа» проводили на разрывной машине Instron3365 по ГОСТ 29104.4.Открытую пористость определяли при помощи эталонного контактного поромераPorotech 3,2. Наблюдение микроструктуры исследованных в работе материаловпроводили на оптическом микроскопе «Альтами МЕТ-1М» с системой видеофиксацииизображения и сканирующем электронном микроскопе JSM-6610 LV фирмы «JEOL»,оснащенным системой локального рентгеноспектрального микроанализа. Исследованиеструктуры углеродных каркасов, а также полученных на их основе УУКМ на предметотсутствия скрытых макродефектов ̶ трещин или расслоений ̶ проводили методомрентгеновской томографии на рентгеновском компьютерном томографе ХТН 225+320 LCфирмы «METRIS».Уплотнение полученных углеродных каркасов проводили двумя различными типамиуглеродных матриц: коксом среднетемпературного каменноугольного пека ГОСТ 10200жидкофазным способом с использованием промышленной установки пропитки пеком икарбонизатора АДКА 103/105-60-1100; пироуглеродом ̶из газовой фазы метанатермоградиентным способом на промышленной установке «Агат-3,2», расчетное времянасыщения ̶ 270 ч при Т=1030°С (при толщине стенки каркаса около 67 мм скоростьосаждения пироуглерода ̶ 0,25 мм/ч).Теплоэрозионную стойкость полученных высокоплотных УУКМ определяли набазе оборудования ГНЦ ФГУП «Центр Келдыша»: на плазмотроне «Звезда» ввоздушно-спиртовой смеси по собственной методике со следующими параметрами:температура торможения смеси – (3450-3580) К; давление торможения 1,8 - 2,3 МПа;расход спирта ̶ (0,05-0,08) кг/с; расход воздуха ̶ (0,260 - 0,276) кг/с; соотношение спиртаи суммарного расхода газовой смеси – (15-25) %; время испытаний ̶ от 15,1 с до 18,1 с;температура стенки в области критического сечения вкладыша – около 2400°С; наэкспериментальной установке на базе твердотопливного газогенератора 2ЭД43,установленной на стенде УТТ, согласно программе и методике проведения испытаний(огневых) макетных образцов №6-04/33 от 10.03.2017 при следующих условиях: маркатоплива Т9БК8; длительность воздействия потока – до 10 с; температура продуктов10сгорания – 3450 К; давление в камере сгорания – 5,6-5,7 МПа; давление разрыва шпилек –до 10,0 МПа; номинальный расход топлива – 0,9 кг/с; расход рабочего газа – (5,7±0,2) кг/с.Физико-механические (ФМХ) и теплофизические характеристики (ТФХ)высокоплотных образцов УУКМ определяли на следующем испытательномоборудовании по стандартным методикам (табл.1).Таблица 1 - Оборудование и методики по определению ФМХ и ТФХХарактеристикаОборудованиеПредел прочности при растяжении Испытательнаямашинаи модуль упругостиZwick 1474, Zwick 1464,экстензометр Schenck №437Предел прочности при сжатииИспытательнаямашинаZwick 1474, динамометрZwick 1474 100 кНТеплопроводность при 50°СПрибор «А-26М»ТКЛР в интервале температур от Термомеханический20 до 400°Санализатор «Q-400 EM»ГазопроницаемостьСтенд измерениягазопроницаемостиМетодикаОСТ 92-1459-77,ОСТ 92-1461-77ОСТ 92-1460-77МВИ №7443-1-85ГОСТ 32618.2-2014Методика№ 932-0226-97-2015В третьей главе исследованы возможности применения окисленного ПАНа приформировании массивных каркасов для последующего получения УУКМ, его поведениепри термообработках, особенности микроструктуры на различных технологическихстадиях; представлены технология получения однородного полимерного каркаса из«ОКСИПАНа» и армирующего углеродного каркаса на его основе; исследованымеханические свойства при растяжении полученных элементарных углеродных волокон.Исследовано поведение используемого в работе холста «ОКСИПАН» при нагреведо температуры 350 °С методом ДСК-калориметрии.