Автореферат (Разработка технологии изготовления углерод-углеродного композиционного материала на основе нетканого окисленного полиакрилонитрила), страница 4

Малый размерструктурной ячейки в совокупности с высокой кинетикой уплотнения при жидкофазномметоде делают полученный каркас привлекательным с точки зрения дальнейшейразработки керамо- и металломатричных КМ. В результате жидкофазного уплотненияуглеродного каркаса в виде блока с длиной одной из сторон 700 мм получены образцывысокоплотных УУКМ с плотностью (1,90±0,02) г/см3. На основании преформыплотностью 1,55 г/см3 получен углерод-керамический КМ состава C-SiC, из которогоизготовлен теплозащитный экран со сложной перфорацией для теплонагруженного узлаизделия РКТ (рисунок 8).Рисунок 8 - Теплозащитныйэкран из УККМ C-SiC на основеуглеродной преформы из®ИпрессконаУплотнение пироуглеродной матрицей массивных образцов типа втулкидиаметром Ø175 мм из газовой фазы метана позволило достичь плотности УУКМ(1,74-1,76 г/см3) после мехобработки.

Измельченная структурная ячейка позволилаобеспечить шероховатость поверхности Ra после полировки ̶ от 0,6 до 0,8 (рисунок 9),что сопоставимо с чистотой поверхности полированного металла. Высокие значенияшероховатости поверхности позволяют использовать разработанный УУКМ в тонких илисложнопрофилированных изделиях, таких как электроды ионно-оптических систем,надроторные вставки, остроконечные кромки летательных аппаратов, теплозащитныесложно перфорированные экраны теплонагруженных узлов и др.абРисунок 9 – Газофазно уплотненные УУКМ диаметром Ø175 мм послемехобработки (а) и после полировки (б)19Измельченная структурная ячейка в высокоплотном УУКМ позволяет такжедобиться высокой теплоэрозионной стойкости при интенсивном термохимическомнагружении, что подтверждено стендовыми испытаниями на базе оборудования ГНЦФГУП «Центр Келдыша».

Так, образцы УУКМ-Ипресскон® с матрицами изпиролитического углерода и кокса каменноугольного пека в виде макетных вкладышейкритического сечения сопла (ВКС) испытаны на плазмотроне в воздушно-спиртовойсмеси. Сравнительные результаты их огневых испытаний и современного серийногоУУКМ марки МКУ4-М7 приведены в таблице 3.Таблица 3 - Сравнительные результаты тепловых испытаний на плазмотронемакетных образцов ВКС из УУКМ-Ипресскон® (пироуглерод, кокс пека) и МКУ4-М7Материал образца,матрицаПлотность,г/см3Скоростьлинейногоуноса, мм/сУдельныймассовый унос,кг/м2·сИпресскон®,пироуглерод1,750,0920,182Ипресскон®, кокс пека1,920,16-0,230,30МКУ4-М7, кокс пека1,930,13-0,220,26Результаты испытаний свидетельствуют о том, что теплоэрозионная стойкостьУУКМ-Ипресскон® находится на уровне или немного превышает аналогичныепоказатели УУКМ марки МКУ4-М7.УУКМ-Ипресскон® с матрицей из кокса пека в виде макета газодинамического руля сплотностью (1,90±0,01) г/см3 испытан на установке на базе твердотопливногогазогенератора.

Эталонным материалом являлся УУКМ марки КИМФ, образцом сравненияслужил современный УУКМ ИПП на основе иглопробивного ленточного каркаса с пековойматрицей. Сравнительные скорости уноса массы и площади образцов представлены втаблице 4.Таблица 4 - Сравнительные скорости уноса массы и площади макетных образцовгазодинамического руля различных УУКМ№ ОИМатериал образцаСкорость уносамассы, г/сСкорость уносаплощади, мм2/с1КИМФ2,6146,52КИМФ2,7153,43ИПП2,9138,94Ипресскон®-пек2,2110,020Результаты испытаний свидетельствуют о том, что теплоэрозионная стойкостьУУКМ-Ипресскон® превышает показатели образцов сравнения, в том числе на (15-35)%показатели серийно выпускаемого эталонного УУКМ марки КИМФ.В таблице 5 сопоставлены физико-механические (ФМХ) и теплофизическиехарактеристики (ТФХ) полученных УУКМ-Ипресскон® со свойствами серийновыпускаемых графитов и УУКМ.Таблица 5 - Результаты определения ФМХ, ТФХсопоставление с серийно выпускаемыми материаламиСвойства материалаПлотность, г/см3ГрафитыМПГ-6, МПГ-7или аналоги1,7-1,8Коэфф-т Дарси при перепадедавления (5,5-4,5)·105 Па, м2Предел прочности прирастяжении, МПа (X-Y)Предел прочности присжатии, МПа (Z)Теплопроводность при 50 °С внаправлении оси Х, Вт/(м·К)Теплопроводность при 50 °Св направлении оси Z, Вт/(м·К)ТКЛР ×10-6, К-1 в интервале от50 до 1500°С-полученных УУКМ иКИМФМКУ4М7УУКМИпресскон(пироуглерод),втулкаУУКМИпресскон(кокс пека),пластина1,71,971,75-1,80(1,90±0,05)--8,5·10-19-14-13(10 -10 )30-3349-7467-10380-110180-21596-135(образцывырезаны внаправлении)140-160 понапр.R;15-20 по Z180-240 по R330-390 по Z90-1108,665-7016 по R63-7290-1105,450-538 по Z23-302,5-5,01,0-2,70-2,5не менее 70180-2300-1,1 от 50° до (-0,5-2,0) от20° до 1900°С400°СУстановлено, что значения ключевых физико-механических характеристикУУКМ-Ипресскон® в (2-5) раз превосходят соответствующие показатели высокоплотныхграфитов и соответствуют или превышают свойства ряда серийно выпускаемых УУКМ.Имеющуюся анизотропию свойств в радиальном и осевом направлении у цилиндрическихобразцов УУКМ с пироуглеродной матрицей следует учитывать на стадии проектированияконструкций и деталей из УУКМ на основе Ипресскона®.

Теплофизические свойстваУУКМ-Ипресскон® сравнимы со свойствами серийно выпускаемых УУКМ.ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ1. На основании полученных результатов исследований разработана базоваятехнологическая схема изготовления углерод-углеродного композиционного материалана основе нетканого окисленного полиакрилонитрила, сочетающего в себе прочностныесвойства традиционных УУКМ с однородной измельченной структурой графитов.21Установлена необходимость применения иглопробивной технологии в сочетании спрессованием на стадии формирования полимерных заготовок, разработаны режимытермообработок для получения армирующего углеродного каркаса. В результатеразработанной технологической схемы показана реальная альтернатива полученныхкомпозитов на нетканой основе традиционным КМ на нитяной основе, для которыхиспользуется более дорогостоящее сырье, а технологический цикл ̶ более сложный идлительный.2. Установлен интервал значений объемной плотности прессования полимерныхзаготовок каркасов (от 0,70 до 0,90 г/см3), при котором достигается конструкционнаяпрочность каркаса без макроструктурных дефектов – трещин, расслоений.

Определенызакономерности прессования применительно к различным направлениям приложенияусилия относительно укладки иглопробитых холстов.3. Выявлены уровни экзотермического эффекта на различных стадиях переводаконсолидированных (спрессованных) ПАН-волокон в углеродный каркас, определенывеличины усадок и возможность преодоления негативного влияния экзотермическогоэффекта путем применения специальных оснасток и корректировки режимовтермообработок в сторону более плавного подъема температуры.

Количественная оценкасвойств углеродного волокна (ρ=1,64 г/см3, σв - до 2 ГПа) после его перевода изокисленного ПАНа в углеродное состояние по установленным режимам указывает назначительный уровень прочности волокон.4. Построена математическая модель напряженно-деформированного состоянияпри намотке холста на цилиндрическую металлическую оправку (аналитическая модельмеханики растущего тела), с помощью которой установлено, что радиальноеиглопробивание приводит к уменьшению радиальных и окружных напряжений ипозволяет добиться устойчивости слоев при намотке и прессовании цилиндрическихзаготовок из окисленного ПАНа. Это приводит к уменьшению давления на стенкистальной пресс-формы, что упрощает ее конструкцию и операцию распрессовки.5. Установлено, что использование углеродных каркасов на основе окисленного ПАНапозволяет достичь плотности конструкционного УУКМ за меньшее число циклов прижидкофазном уплотнении, чем серийно выпускаемые УУКМ (достижение плотности УУКМ1,90 г/см3 происходит за 6 циклов пекопропитки и карбонизации против 8-9 циклов устержневого каркаса).

Показано, что разработанные УУКМ с однородной мелкоячеистойпористой структурой (размер приведенного диаметра пор (10-60) мкм) по сравнению спорами до нескольких миллиметров у существующих УУКМ являются перспективными вкачестве преформ для дальнейшей разработки керамо- и металломатричных КМ.6. Получены конструкционные УУКМ на основе углеродного каркаса маркиИпресскон® с двумя типами матриц (кокс каменноугольного пека и пиролитический22углерод); изготовлены крупногабаритные заготовки изделий различной конфигурации(втулка, прямоугольный блок). Высокие значения газоплотности (коэффициент Дарси неболее (8,5·10-19) м2 при перепаде давления (5,5-4,5)·105 Па и шероховатости поверхности (Ra ̶от 0,6 до 0,8) позволяют использовать разработанный УУКМ в тонких (1-1,5) мм или сложнопрофилированных изделиях (электроды ионно-оптических систем, остроконечные кромкилетательных аппаратов, теплозащитные перфорированные экраны теплонагруженных узлов).7.