Диссертация (Разработка технологии изготовления углерод-углеродного композиционного материала на основе нетканого окисленного полиакрилонитрила), страница 8

На основании полученных результатов исследований разработана базоваятехнологическая схема изготовления углерод-углеродного композиционногоматериала на основе нетканого окисленного полиакрилонитрила, сочетающего всебе прочностные свойства традиционных УУКМ с однородной измельченнойструктурой графитов Установлена необходимость применения иглопробивнойтехнологии в сочетании с прессованием на стадии формирования полимерныхзаготовок, разработаны режимы термообработок для получения армирующегоуглеродного каркасаВ результате разработанной технологической схемыпоказана реальная альтернатива полученных композитов на нетканой основетрадиционным КМ на нитяной основе, для которых используется болеедорогостоящее сырье, а технологический цикл более сложный и длительный2.

Установленинтервалзначенийобъемнойплотностипрессованияполимерных заготовок каркасов (от ,7 до ,9 г/см3), при котором достигаетсяконструкционная прочность каркаса без структурных дефектов – трещин,расслоений Определены закономерности прессования применительно к различнымнаправлениям приложения усилия относительно укладки иглопробитых холстов3. Выявлены уровни экзотермического эффекта на различных стадияхперевода консолидированных (спрессованных) ПАН-волокон в углеродныйкаркас, определены величины усадок и возможность преодоления негативноговлияния экзотермического эффекта путем применения специальных оснасток икорректировки режимов термообработок в сторону более плавного подъематемпературы Количественная оценка свойств углеродного волокна (ρ= ,64 г/см3,ζв - до 2 ГПа) после его перевода из окисленного ПАНа в углеродное состояние поустановленным режимам указывает на приемлемый уровень прочности волокон4.

Построена математическая модельсостояниянапряженно-деформированногопри намотке холста на цилиндрическую металлическую оправку(аналитическая модель механики растущего тела), с помощью которойустановлено, что радиальное иглопробивание приводит к уменьшению радиальныхи окружных напряжений и позволяет добиться устойчивости слоев при намотке и124прессовании цилиндрических заготовок из окисленного ПАНа Это приводит куменьшению давления на стенки стальной пресс-формы, что упрощает ееконструкцию и операцию распрессовки5. Установлено, что использование углеродных каркасов на основеокисленного ПАНа позволяет достичь плотности конструкционного УУКМ заменьшее число циклов при жидкофазном уплотнении, чем серийно выпускаемыеУУКМ (достижение плотности УУКМ,9г/см3 происходит за 6 цикловпекопропитки и карбонизации против 8-9 циклов у стержневого каркаса)Показано, что разработанные УУКМ с однородной мелкоячеистой пористойструктурой (размер приведенного диаметра пор (-6 ) мкм) по сравнению спорами до нескольких миллиметров у существующих УУКМ являютсяперспективными в качестве преформ для дальнейшей разработки керамо- илиметалломатричных КМ6.

Получены конструкционные УУКМ на основе углеродного каркаса маркиИпресскон®сдвумятипамиматриц(кокскаменноугольногопекаипиролитический углерод); изготовлены крупногабаритные заготовки изделийразличной конфигурации (втулка, прямоугольный блок)-19газоплотности (коэффициент Дарси не более (8,5·(5,5-4,5)·5Па и шероховатости поверхности (RaиспользоватьразработанныйУУКМвтонкихВысокие значения) м2 при перепаде давленияот,6 до 0,8) позволяют( - ,5)ммилисложнопрофилированных изделиях (электроды ионно-оптических систем, остроконечныекромки летательных аппаратов, теплозащитныеперфорированные экранытеплонагруженных узлов)7. ДляполученныхУУКМэкспериментальноопределенызначенияфизико-механических и теплофизических характеристик (предел прочности прирастяжении – свыше 7 МПа (у графитов – (30-33) МПа), предел прочности присжатии – не менее 4 МПа (у графитов – (80-) МПа), теплопроводность при5 °С в направлении оси Х – (63-72) Вт/(м·К), теплопроводность при 5 °С внаправлении оси Z (23-3 ) Вт/(м·К), КЛТР в интервале от 5(-0,5-2, )×-6до9°С, К-1) Установлено, что их уровень соответствует или превышает125уровень свойств серийно выпускаемых УУКМ Полученные УУКМ показаливысокую термоокислительную стойкость при интенсивном термохимическомнагружении в воздушно-спиртовом потоке и на твердотопливном стенде8.

Врезультатепримененияразработаннойтехнологическойсхемыизготовлены конструкционные УУКМ, из которых получены: цилиндрическаясиловая обечайка диаметром Ø 6мм пресс-формы горячего прессования;ускоряющий электрод ионно-оптической системы высокочастотного ионногодвигателя; теплозащитный перфорированный экран теплонагруженного узла Поуказанным изделиям имеются акты внедрения Получен патент РФ«Способ изготовления пористого углеродного каркасаматериала» Получено свидетельствонетканой основе марки Ипресскон®.262 8основы композиционного637 35 на товарный знак каркаса на126БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК1. Уббелоде А Р , Льюис Ф А Графит и его кристаллические соединения.

−М : Мир, 965 – 256 с2. МелешкоАИ,ПоловниковСПУглерод,углеродные композиты – М : САЙНС-ПРЕСС, 2углеродныеволокна,7 – 92 с3. Самойлов В М Получение тонкодисперсных углеродных наполнителейиразработка технологии производства тонкозернистых графитов на их основе: дис… д-р тех наук: 5 7/ Самойлов Владимир Маркович – М , 2 6 −358 c4. Графит как высокотемпературный материал: сб статей / под ред ВласоваК П – М : Мир, 964 – 424 с5. Ядерный графит / Вяткин С Е [и др ] – М : Атомиздат, 967 – 279 с6. Свойства конструкционных материалов на основе углерода: справочник/под ред Соседова В П – М : Металлургия, 975 – 335 с7.

Искусственный графит / Островский В С , Виргильев Ю С , Костиков В И ,Шипков Н Н – М : Металлургия, 986 – 272 с8. ШулеповСВФизикауглеграфитовыхматериалов.–М:Металлургия, 972 – 254 с9. Фиалков А С Углеграфитовые материалы. – М : Энергия, 979 – 3 9 с10. Фиалков А С Углерод, межслоевые соединения и композиты на егооснове. – М : Аспект Пресс, 997 – 7 8 с11. Щурик А Г Искусственные углеродные материалы: научное издание –Пермь: 2 9 – 342 с12.

Burchell, T. D. Carbon Materials for Advanced Technologies / T. D. Burchell. –Pergamon: U.S.A. ELSEVIER SCIENCE Ltd, 1999. – 540 p.13. БушуевЮГ,ПерсинМИ,СоколовВАУглерод-углеродныекомпозиционные материалы – М: Металлургия, 994 – 28 с14. Буланов И М , Воробей В В Технология ракетных и аэрокосмическихконструкций из композиционных материалов: Учеб для вузов М : Изд-во МГТУим Н Э Баумана, 998 – 5 6 с12715. Мэттьюз Ф , Ролингс РКомпозитные материалыМеханика итехнология – М : Техносфера, 2 4 – 4 8 с16.

SavageG.(Gary)Carbon-carbonSPRINGER-SCIENCE+BUSINESS MEDIA, B Vcomposites/G.Savage.1st ed., 1992. – 389 p.17. Арзамасов Б Н , Макарова В И , Мухин Г Г Материаловедение Учебникдля ВУЗов // М : Изд-во МГТУ им Н Э Баумана 2, 648 с18. A. Lacombe, Th. Pichon, M. Lacoste. 3D Carbon-Carbon composites arerevolutionizing upper stage Liquid Rocket Engine performance by allowing introductionof large nozzle extension. – 50th AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC Structures, StructuralDynamics, and Materials Conference, 2 9, Palm Springs, California Paper N° AIAA2009-2678 / 119-SDM-75 High Temperature Materials Session.

p.p. 1-11.19. A. Lacombe. et al. 3D Novoltex® and Naxeco® Carbon-Carbon NozzleExtensions; matured, industrial and available technologies to reduce programmatic andtechnical risks and to increase performance of launcher upper stage engines. 2008, AIAA2008-5236.20. Мармер Э П Углеграфитовые материалы Справочник / Мармер Э ПМ : Металлургия, 97321. ЧалыхЕФ36 сТехнологияэлектроугольныхпредприятийиоборудованиеэлектродныхиМ : Металлургия, 972 432 с22. Рогайлин М И , Чалых Е Ф Справочник по углеграфитовым материалам/ Л : Химия, 974 2 8 с23.

Мицкевич М К [и др ] Электроэрозионная обработка металлов / Минск:Наука и техника, 988 2 6 с24. ГурвичОС,ЛяхинВП,электропечи с графитовыми элементамиСоболевСИВысокотемпературныеМ : Энергия, 9744с25. Селезнѐв А Н Углеродистое сырьѐ для электродной промышленностиМ: Профиздат, 2256 с26. Шешин Е Пуглеродных материаловСтруктура поверхности и автоэмиссионные свойстваМ : Издательство МФТИ, 2288 с.12827. Бутырин Г М Высокопористые углеродные материалы. М : Химия,9769 с28. Котосонов А С , Левинтович И Я ,Остронов Б Г Особенности структурыи некоторые свойства поликристаллических углеродных материалов // В сб :Структура и свойства углеродных материалов М.: Металлургия, 98729. Oberline A. Carbonization and graphitization // Carbon, 984С. 88-100.v 22,4/5Р. 35-339.30.

Физические величины: справочник / Бабичев А П [и др]; под редМейлихова Е З М : Энергоиздат, 99232 с 3531. Соседов В П История развития углеродной промышленностиМ:Аспект-Пресс, 999 - 264 с32. Островская Т А , Бутырин Г М , Харитонов А В , Шипков Н Н Изучениемикроструктурыипористостиполикристаллическихграфитовдлякристаллизаторов установок непрерывного литья // в сб : Разработка иисследование конструкционных углеродных материаловСМ : Металлургия, 988-10933. Ракчеева В И , Островская Т А Свойства мелкозернистых графитов,выпускаемых зарубежными фирмами и области их применения // В сб трудовНИИГрафит: Углеродные материалыМ : ЦНИИ цветной металлургии, 994С83-89.34.

Burchell T.D. A microstructurally based fracture model for polygranulargraphite. // Carbon, 1996. − v.34,3. − P. 297-316.35. Chung D.D.L. Review. Graphite. // J. Mat. Sci, 2002. − v.37,8. −P. 1475-148936. Hoffman W.R., Huttinger K.J. Sintering of powders of polyaromaticmesophase to highstrength isotropic carbons-I. Influence of the raw material and sinteringconditions on the properties of the carbon materials // Carbon, 1994.

− v.32,1087-1103.6. − P.12937. Fiel L.D., Lapenta J.A. Oxidation behaviour of fine grained graphite // 16thBienn. Conf. on Carbone. Extended Abstracts and Program. San Diego, California, USA,1983. − P.142-143.38. Келли А Высокопрочные материалы М : Мир, 976 − 26 с39. Ларионов В В , Козырев А И , Авдеенко М А Поверхностное уплотнениеконструкционногографитаразличнойплотностиипористостиметодомтермического разложения углеводородов // в сб : Конструкционные материалы наоснове углерода − М : Металлургия, 96740. КостиковВ И,Варенков3 136 САИ4-111.Сверхвысокотемпературныекомпозиционные материалы – М : Интермет Инжиниринг, 2 3 – 56 с41.