способ получения углерод-углеродного композиционного материала

Формула изобретения

Способ получения углерод-углеродного композиционного материала, стойкого к окислению и эрозии при воздействии высоких температур и давлений, основанный на сборке стержневого каркаса из углеродного волокна, скрепленного водным раствором поливинилового спирта, и последующем насыщении каркаса углеводородной матрицей, отличающийся тем, что после сборки каркаса перед насыщением углеводородной матрицей производят его фиксацию на глубину технологического припуска связующим, например эпоксидным или бакелитовым лаком, а затем выдерживают в воде, нагретой до температуры 60-70°С в течение не менее 1,5-2 ч.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области получения теплозащитных материалов, стойких к эрозионному разрушению при воздействии высоких температур и давлений.

Известен способ получения углерод-углеродного композита, стойкого к окислению [1], включающий изготовление каркаса из углеродного волокнистого материала и его нагрев и выдержку в потоке газообразных углеводородов, причем каркас изготовляют путем набора стержней из углеродного волокна в пучок цилиндрической формы, после чего каркас армируют углеродным волокном, а нагрев осуществляют прямым пропусканием электрического тока через армированный каркас до температуры 900 950°C, при этом в качестве газообразных углеводородов используют природный газ.

Недостатком этого способа является то, что полученные на стержневой машине стержни из углеродного волокна, пропитанного водным раствором поливинилового спирта, сохраняют свою форму и после насыщения каркаса углеводородной матрицей, т.е. волокна остаются уплотненными и объемная доля матрицы в них оказывается минимальной, а межстержневые пространства оказываются заполненными только углеводородной матрицей, т.е. неармированными. Это негативно проявляется при использовании такого материала в качестве теплозащитного покрытия для спасаемых космических объектов, так как углеродное волокно и углеводородная матрица имеют различную прочность при воздействии высокотемпературного газового потока. Это ведет к увеличению шероховатости поверхности теплозащитного покрытия, а следовательно, к повышению температуры и, как следствие, повышению скорости эрозионного уноса (разрушения). Кроме того, углеродные волокна и углеводородная матрица имеют различные коэффициенты температурного расширения. У матрицы они значительно больше. Это приводит к тому, что углеродные волокна, оставаясь в композите прямолинейными и напряженными, в следствие того, что стержни на стержневой машине получаются методом протяжки через фильеру, склонны к разрыву при воздействии на композит высоких температур. Это особенно характерно для углерод-углеродных композитов высокой плотности (1,98 г/см³ и выше).

Наиболее близким по технической сущности к патентуемому изобретению является способ получения углерод-углеродного материала [2], включающий последовательные процессы пропитки заготовки расплавленными углеводородами и карбонизации в герметизированном контейнере в аппарате высокого давления, где в качестве передающей давление среды используют кварцевый песок, извлечения заготовки и графитации в вакууме, причем эти процессы повторяют до получения материала с плотностью 1,96-2,01 г/см³, при этом углеводороды в виде слоя размещают на дне контейнера, на слое размещают заготовку, а пространство между боковыми поверхностями контейнера и заготовки заполняют порошковым материалом, теплопроводность которого превышает теплопроводность расплавленных углеводородов, при этом порошковый материал берут с размерами зерен, которые препятствуют их проникновению в поры заготовки, причем для первого процесса пропитки и карбонизации берут заготовку, выполненную в виде многонаправленного армирующего каркаса из углеродного материала, например из углеродного волокна.

Углерод - углеродный материал, изготовленный по этому способу, получается более изотропным по физико-механическим характеристикам в сравнении с ранее описанным, но обладает такими же недостатками, что и композит, получаемый по первому способу. Несмотря на указанные недостатки, техническое решение, защищенное патентом RU 2119469, может быть принято в качестве прототипа, как наиболее близкий аналог.

Задачей настоящего изобретения является разработка способа получения углерод-углеродного композита, стойкого к окислению и эрозионному разрушению (уносу) при воздействии высоких температур и давлений.

Поставленная задача решается тем, что каркас перед насыщением углеводородной матрицей выдерживается в течение заданного времени в воде, нагретой до температуры 60 70°C, в результате чего происходит растворение и последующее за этим вымывание поливинилового спирта из стержней, при этом углеродные волокна занимают полнее свободные пространства. Стержни занимают образовавшиеся объемы и углеродная матрица равномернее распределяется в композите, в результате чего он становится более изотропным.

Предлагаемый способ повышает эрозионную стойкость и прочность материала при воздействии высоких температур и давлений.

Патентуемый способ осуществляется следующим образом.

Сначала изготавливается каркас путем набора его из стержней из углеродного волокна, в которых в качестве связующего используется водный раствор поливинилового спирта. Армированный в 2, 3, 4 или более направлениях каркас фиксируется на глубину технологического припуска, например, эпоксидным связующим или бакелитовым лаком, и каркас в таком виде погружается в подогретую до 60 70°C воду и выдерживается в течение не менее 1,5 2 часов. В процессе выдержки каркаса в подогретой воде поливиниловый спирт стержней растворяется и вымывается, и углеродные волокна освобождаются от связующего. Стержни занимают образовавшиеся объемы, углеводородная матрица равномернее распределяется в композите, и он становится более изотропным. При этом с волокон снимаются контактные напряжения, имеющие место в стержневом каркасе, а также напряжения, полученные при протяжке через фильеру на стержневой машине. Все это повышает эрозионную стойкость и прочность материала при воздействии высоких температур и давлений.

Источники информации

1. Патент RU 2090497, кл. МПК C01B 31/02. Способ получения углерод-углеродного композита, стойкого к окислению. Приоритет от 20.02.1995 г.

2. Патент RU 2119469, кл. МПК C04B 35/52. Способ получения углеродного материала. Приоритет от 26.09. 1996 г.

3. Патент RU 2016843, кл. МПК C01B 31/02. Способ получения углерод-углеродного композиционного материала. Приоритет от 30.07.1994 г.

4. Патент RU 2170220, кл. МПК C04B 35/83. Способ получения углерод-углеродного композиционного материала. Приоритет от 09.11.1999 г.