армирующий каркас углерод-углеродного композиционного материала

Классы МПК:C04B35/52 на основе углерода, например графита
C01B31/02 получение углерода
Автор(ы):, ,
Патентообладатель(и):Открытое акционерное общество "Государственный ракетный центр имени академика В.П. Макеева" (RU)
Приоритеты:
подача заявки:
2011-07-06
публикация патента:

Изобретение относится к эрозионностойким теплозащитным композиционным материалам и может быть использовано для создания деталей защиты поверхностей гиперзвуковых спускаемых аппаратов (ГСА). Армирующий каркас углерод-углеродного композиционного материала (УУКМ) выполнен в виде четырехнаправленной пространственной структуры с гексагональной трансверсально-изотропной укладкой армирующих элементов. В качестве армирующих элементов использованы нити углеродные трощеные. Укладка трансверсальных слоев выполнена нитью (7) линейной плотностью армирующий каркас углерод-углеродного композиционного материала, патент № 2498962 t=(300÷420) текс, а гексагональная укладка выполнена нитью (8) линейной плотностью армирующий каркас углерод-углеродного композиционного материала, патент № 2498962 g=(3÷4)·армирующий каркас углерод-углеродного композиционного материала, патент № 2498962 t. Расстояние между ближайшими армирующими элементами в каждом трансверсальном слое составляет величину, равную толщине нити линейной плотностью армирующий каркас углерод-углеродного композиционного материала, патент № 2498962 g, а расстояние между трансверсальными слоями одинакового направления составляет величину, равную 2армирующий каркас углерод-углеродного композиционного материала, патент № 2498962 , где армирующий каркас углерод-углеродного композиционного материала, патент № 2498962 - толщина нити линейной плотностью армирующий каркас углерод-углеродного композиционного материала, патент № 2498962 t. Технический результат заключается в повышении плотности армирующего каркаса и улучшении эксплуатационных характеристик УУКМ. 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 5 ил. армирующий каркас углерод-углеродного композиционного материала, патент № 2498962

Рисунки к патенту РФ 2498962

армирующий каркас углерод-углеродного композиционного материала, патент № 2498962 армирующий каркас углерод-углеродного композиционного материала, патент № 2498962 армирующий каркас углерод-углеродного композиционного материала, патент № 2498962 армирующий каркас углерод-углеродного композиционного материала, патент № 2498962 армирующий каркас углерод-углеродного композиционного материала, патент № 2498962

Изобретение относится к эрозионностойким теплозащитным композиционным материалам и может быть использовано для создания деталей защиты поверхностей гиперзвуковых спускаемых аппаратов (ГСА).

Наиболее эффективную тепловую защиту ГСА с точки зрения прочности, минимального изменения форм и теплозащитных качеств обеспечивают углерод-углеродные композиционные материалы (УУКМ). Эти материалы состоят из армирующего каркаса, имеющего, как правило, сложную пространственную структуру, и углеродной матрицы. В качестве армирующих элементов используют углепластиковые стержни или жгуты из углеродных нитей.

В настоящее время известен армирующий каркас УУКМ, способ получения которого описан в патенте № 2090497 с приоритетом от 20.02.1995 г. Данный каркас представляет собой цилиндрической формы пучок углепластиковых стержней, плотно обмотанных углеродным волокном. Недостаток этого каркаса -низкие значения прочности и жесткости в трансверсальном (перпендикулярном углепластиковым стержням) направлении.

Известен армирующий каркас УУКМ марки КИМФ (технические условия ТУ 92-932-2-31-81). Каркас материала КИМФ выполнен в виде объемной ортогональной структуры, получаемой методом плетения углеродной нитью.

Недостатки данного каркаса:

1. Грубая структура каркаса, обусловленная его схемой укладки по осям x:y:z, равной 2:2:1 из углеродной нити линейной плотностью 390 текс (размер элементарной ячейки 3:3:1,5 мм соответственно) приводит к высокой шероховатости поверхности материала из-за того, что армирующие элементы каркаса и матрица уносятся набегающим потоком неодинаково. Повышенная шероховатость поверхности приводит к раннему переходу от ламинарного к турбулентному режиму обтекания в пограничном слое, следовательно, к повышенной скорости уноса материала

2. Неосесимметричная структура и низкая плотность каркаса (армирующий каркас углерод-углеродного композиционного материала, патент № 2498962 =0,46÷0,50 г/см3) приводят к анизотропии прочностных и эрозионных характеристик УУКМ, к асимметрии обгарной поверхности материала при эксплуатации, а, следовательно, к повышенному разбросу аэродинамических характеристик ГСА.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является каркас УУКМ марки 4КМС-Л (технические условия 208.571.001 ТУ).

Каркас материала 4КМС-Л представляет собой объемную четырехнаправленную структуру, собранную из углепластиковых стержней на основе углеродной нити и поливинилового спирта в виде гексагональной трансверсально-изотропной укладки. В данном случае термин «изотропная» характеризует только осесимметричность структуры каркаса, в которой стержни каждого из трех трансверсальных направлений расположены под одинаковым друг к другу углом армирующий каркас углерод-углеродного композиционного материала, патент № 2498962 =120° (см. Пространственно-армированные композиционные материалы: Справочник / Ю.М. Тарнопольский, И.Г. Жигун, В.А. Поляков - М.: Машиностроение, 1987, с.20-21) Изотропность укладки стержней уменьшает анизотропию свойств УУКМ в трансверсальном направлении. Однако технология стержневой сборки каркаса ограничивает возможность создания тонких структур, так как уменьшение диаметра стержней ниже определенного значения приводит к снижению качества каркаса, а именно, происходит отклонение стержней от прямолинейности из-за уменьшения их жесткости, повышается их травмируемость. Кроме того, значительно увеличивается трудоемкость изготовления каркаса.

Для материала 4КМС-Л оптимальный диаметр стержней каркаса составляет 1,17 мм. Использование стержней такой толщины «угрубляет» структуру каркаса: такой каркас имеет низкую плотность, которая, в свою очередь, приводит к повышенному разбросу значений плотности УУКМ по объему, увеличению шероховатости поверхности материала и, как следствие, ухудшению аэродинамических свойств ГСА. Кроме того, плотность каркаса материала 4КМС-Л снижается при его термообработке в процессе изготовления УУКМ, т.к. содержание поливинилового спирта в материале стержней составляет ~10% об.

Задачей, на решение которой направлено предполагаемое изобретение, является повышение плотности армирующего каркаса и улучшение эксплуатационных характеристик УУКМ.

Поставленная задача решается тем, что:

1. В качестве армирующих элементов каркаса использованы нити углеродные трощеные.

2. Укладка трансверсальных слоев каркаса выполнена нитью линейной плотностью армирующий каркас углерод-углеродного композиционного материала, патент № 2498962 t=(300÷420) текс, а гексагональная укладка выполнена нитью линейной плотностью армирующий каркас углерод-углеродного композиционного материала, патент № 2498962 g=(3÷4)·армирующий каркас углерод-углеродного композиционного материала, патент № 2498962 t.

3. Расстояние между ближайшими армирующими элементами в каждом трансверсальном слое составляет величину, равную толщине нити линейной плотностью армирующий каркас углерод-углеродного композиционного материала, патент № 2498962 g, а расстояние между трансверсальными слоями одинакового направления составляет величину, равную 2армирующий каркас углерод-углеродного композиционного материала, патент № 2498962 , где армирующий каркас углерод-углеродного композиционного материала, патент № 2498962 - толщина нити линейной плотностью армирующий каркас углерод-углеродного композиционного материала, патент № 2498962 t.

4. Укладка каждого трансверсального слоя выполнена непрерывной нитью с образованием петель, вплотную охватывающих крайние нити гексагональной укладки.

Решение поставленной задачи, как следует из изложенного, направлено на «измельчение» четырехнаправленной пространственной структуры каркаса, т.е. на применение углеродной нити с минимальным значением толщины и на максимальное наполнение ею структуры каркаса.

Указанные параметры зависят от технологии изготовления каркаса, которая основана на плетении нитью. Процесс плетения предполагает использование трощеной нити и осуществляется с помощью технологической оснастки представляющей собой гексагонально расположенный набор стальных стержней 1 (см. Фиг.1) жестко закрепленных между двумя металлическими основаниями 2. Каждый стержень на одном конце имеет отверстие 3 для создания петли углеродной нити.

Диаметр стальных стержней D определен как минимальный диаметр, при котором их жесткость при длине 250÷300 мм обеспечивает прямолинейность стержней при протягивании углеродной нити между их рядами. Экспериментально установлено оптимальное значение диаметра D, которое составляет 0,8÷1,0 (мм).

Расстояние между параллельными рядами стальных стержней a, b, c и толщина нити определялись, исходя из необходимости выполнения следующих требований:

- расстояние a, b, c должно быть минимально;

- необходимо исключить травмирование нити при ее протягивании между рядами стержней;

- необходимо исключить травмирование нити при уплотнении рапирой в поперечном направлении;

- нить должна полностью заполнять пространство между рядами a, b, c;

- прочность нити должна быть достаточна для сохранения ее целостности при огибании стальных стержней.

Исходя из того, что значения плотности углеродных филаментов различных марок высокомодульных углеродных нитей практически одинаковы, в качестве характеристики толщины нити, была использована ее линейная плотность.

Вышеуказанные требования в наибольшей степени выполняются при следующих значениях:

1. Расстояние a=b=c=(0,8÷1,0) мм;

2. Линейная плотность углеродной нити для протягивания между рядами a=b=c армирующий каркас углерод-углеродного композиционного материала, патент № 2498962 t=(300÷420) текс.

Плетение каркаса начинают с одного из направлений, например, направления 4 (см. Фиг.2) и проводят в следующей последовательности:

- вставляют рапиру в ряд между стальными стержнями 1 направления 4;

- на конец рапиры накидывают петлю из углеродной нити линейной плотностью;

- протягивают углеродную нить, огибают ею крайний металлический стержень, образуя петлю, и вставляют рапиру в соседний ряд между стержнями;

- протягивают нить в обратном направлении;

- повторяют указанные операции до заполнения всего слоя направления 4;

- уплотняют рапирой сплетенный слой, вставляя ее в ряды между стержнями в поперечном направлении 5 или 6;

- концы нити закрепляют на дополнительных краевых стержнях;

- повторяют последовательно перечисленные операции для направлений 5 и 6. В результате выполнения всех указанных действий формируются слои трансверсально-изотропной укладки 7(см. Фиг.3 и Фиг.4).

После формирования пакета трансверсальных слоев каркаса основания технологической оснастки демонтируют. В отверстие стального стержня протягивают углеродную нить, образуя петлю. Стержень вытягивают с противоположной стороны заготовки каркаса, протягивая за собой нить. Повторяя эту операцию, все стальные стержни последовательно заменяют на углеродную нить, формируя тем самым армирующие элементы 8 гексагональной укладки и завершая изготовление каркаса в целом (см. Фиг.3 и Фиг.4). Экспериментально установлено, что максимальная толщина углеродной нити, которую можно разместить на месте стального стержня с минимальным травмированием филаментов, соответствует линейной плотности армирующий каркас углерод-углеродного композиционного материала, патент № 2498962 g=4÷420=1680 текс, т.е. армирующий каркас углерод-углеродного композиционного материала, патент № 2498962 g=4·армирующий каркас углерод-углеродного композиционного материала, патент № 2498962 t.

Снижение линейной плотности используемой нити ниже значения армирующий каркас углерод-углеродного композиционного материала, патент № 2498962 g=3·армирующий каркас углерод-углеродного композиционного материала, патент № 2498962 t нецелесообразно вследствие «разрыхления» структуры каркаса.

На Фиг.3 показана условная структура заявляемого каркаса в направлении гексагональной укладки, на Фиг.4 - в направлении трансверсальных слоев.

Применение углеродной нити с указанными ранее значениями линейной плотности совместно с описанной технологией обеспечивает изготовление каркаса в виде четырехнаправленной пространтсвенной структуры со следующими геометрическими параметрами:

- расстояние Н между ближайшими армирующими элементами в трансверсальных слоях равно толщине D нити гексагональной укладки (см. Фиг.3);

- расстояние h между трансверсальными слоями одинакового направления равно удвоенной толщине армирующий каркас углерод-углеродного композиционного материала, патент № 2498962 нити трансверсальной укладки (см. Фиг.4).

На основе заявляемого каркаса был изготовлен углерод-углеродный композиционный материал. Изготовление УУКМ проводили методом многократно повторяющейся пропитки под давлением каркасов каменноугольным пеком с последующими циклами высокотемпературной карбонизации и графитизации. На Фиг.5 представлена фотография структуры УУКМ в направлении трансверсальных слоев на основе предлагаемого каркаса а и на основе прототипа б. На фотографиях отчетливо видна более мелкая структура материала на основе предлагаемого каркаса.

В таблице 1 приведены примеры изготовленных с различными углеродными нитями каркасов и УУКМ на их основе, а также их характеристики.

Как видно из таблицы 1, все значения характеристик заявляемого армирующего каркаса и УУКМ на его основе превосходят соответствующие значения прототипа и материала на его основе.

армирующий каркас углерод-углеродного композиционного материала, патент № 2498962

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Армирующий каркас углерод-углеродного композиционного материала, выполненный в виде четырехнаправленной пространственной структуры с гексагональной трансверсально-изотропной укладкой армирующих элементов из трощеных углеродных нитей, отличающийся тем, что укладка трансверсальных слоев выполнена из нити линейной плотностью армирующий каркас углерод-углеродного композиционного материала, патент № 2498962 t=(300÷420) текс, а гексагональная укладка выполнена из нити линейной плотностью армирующий каркас углерод-углеродного композиционного материала, патент № 2498962 g=(3÷4)·армирующий каркас углерод-углеродного композиционного материала, патент № 2498962 t, при этом расстояние между ближайшими армирующими элементами в каждом трансверсальном слое составляет величину, равную толщине нити линейной плотностью армирующий каркас углерод-углеродного композиционного материала, патент № 2498962 g, а расстояние между трансверсальными слоями одинакового направления составляет величину, равную 2армирующий каркас углерод-углеродного композиционного материала, патент № 2498962 , где армирующий каркас углерод-углеродного композиционного материала, патент № 2498962 - толщина нити линейной плотностью армирующий каркас углерод-углеродного композиционного материала, патент № 2498962 t.

2. Армирующий каркас по п.1, отличающийся тем, что укладка каждого трансверсального слоя выполнена непрерывной нитью с образованием петель, вплотную охватывающих крайние нити гексагональной укладки.


Скачать патент РФ Официальная публикация
патента РФ № 2498962

patent-2498962.pdf
Патентный поиск по классам МПК-8:

Класс C04B35/52 на основе углерода, например графита

Патенты РФ в классе C04B35/52:
поликристаллический алмаз -  патент 2522028 (10.07.2014)
способ изготовления изделий из композиционных материалов -  патент 2521170 (27.06.2014)
корпусная или внутренняя деталь аппарата, снабженная выступающими частями, способ ее изготовления и устройство для формирования и насыщения пироуглеродом каркасов закладных элементов, образующих выступающие части -  патент 2515878 (20.05.2014)
способ изготовления изделий из композиционного материала -  патент 2510386 (27.03.2014)
токосъемная вставка токоприемника электротранспортного средства и способ ее изготовления -  патент 2510339 (27.03.2014)
способ изготовления изделия из композиционного материала -  патент 2497782 (10.11.2013)
способ изготовления изделий из углерод-карбидокремниевого материала -  патент 2494962 (10.10.2013)
способ изготовления изделий из углерод-карбидокремниевого материала -  патент 2494043 (27.09.2013)
способ изготовления изделий из углерод-карбидокремниевого материала -  патент 2494042 (27.09.2013)
способ получения графита и композитов на его основе из водяной суспензии частиц углеродосодержащих материалов и устройство для его осуществления -  патент 2493099 (20.09.2013)

Класс C01B31/02 получение углерода

Патенты РФ в классе C01B31/02:
электродная масса для самообжигающихся электродов ферросплавных печей -  патент 2529235 (27.09.2014)
способ модифицирования углеродных нанотрубок -  патент 2528985 (20.09.2014)
свч плазменный конвертор -  патент 2522636 (20.07.2014)
пористые угреродные композиционные материалы и способ их получения, а также адсорбенты, косметические средства, средства очистки и композиционные фотокаталитические материалы, содержащие их -  патент 2521384 (27.06.2014)
полимерный нанокомпозит с управляемой анизотропией углеродных нанотрубок и способ его получения -  патент 2520435 (27.06.2014)
способ получения углерод-металлического материала каталитическим пиролизом этанола -  патент 2516548 (20.05.2014)
способ получения углеродных наноматериалов с нанесённым диоксидом кремния -  патент 2516409 (20.05.2014)
тонкодисперсная органическая суспензия углеродных металлсодержащих наноструктур и способ ее изготовления -  патент 2515858 (20.05.2014)
способ получения сажи, содержащей фуллерены и нанотрубки, и устройство для его осуществления -  патент 2511384 (10.04.2014)
способ заполнения внутренней полости нанотрубок химическим веществом -  патент 2511218 (10.04.2014)


Наверх