[0001] Vynález sa týka kompozitných materiálov a najmä kompozitných materiálov na báze uhlíka a spôsobov ich výroby a je možné ich použiť v leteckom a leteckom priemysle, pri obrábaní kovov, spracovaní prírodného kameňa a iných tvrdých a supertvrdých materiálov.
Kompozitné materiály sú viaczložkové materiály pozostávajúce z polyméru, kovu, uhlíka, keramiky alebo inej bázy (matrice, spojiva) vystuženej plnivami z vlákien, fúzov, jemných častíc a pod.. Výberom zloženia a vlastností plniva a matrice sa ich pomer , orientáciou plniva je možné získať materiály s požadovanou kombináciou prevádzkových a technologických vlastností.
Podľa štruktúry plniva sa kompozitné materiály delia na vláknité (vystužené vláknami a fúzmi), vrstvené (vystužené fóliami, platňami, vrstvenými plnivami) a disperzne vystužené alebo disperzne spevnené (s plnivom vo forme jemných častice). Matrica v kompozitných materiáloch zabezpečuje tuhosť materiálu, prenos a rozloženie napätia v plnive, určuje odolnosť voči teplu, vlhkosti, ohňu a chemikáliám.
Podľa povahy materiálu matrice sa rozlišujú polymérne, kovové, uhlíkové, keramické a iné kompozity.
Kompozitné materiály vystužené vysoko pevnými a vysokomodulovými nekonečnými vláknami získali najširšie uplatnenie v strojárstve. Medzi nimi sú obzvlášť zaujímavé:
Kompozitné materiály na báze uhlíka vystužené uhlíkovými vláknami (uhlík - uhlíkové materiály);
Rnrnrn rnrnrn rnrnrn
Kompozitné materiály na báze keramiky vystuženej uhlíkom, karbidom kremíka a inými tepelne odolnými vláknami.
Veľká pozornosť je venovaná vytváraniu nových kompozitných materiálov na základe známych a relatívne nedávno objavených nových modifikácií uhlíka s inými prvkami. Je možné navrhovať materiály so špecifikovanými parametrami, zostavené z atómových zhlukov s potrebnými fyzikálnymi a chemickými vlastnosťami.
V súčasnosti je popisovaná alotropná forma uhlíka fullerén, ktorý sa používa napríklad ako východiskový produkt pri výrobe diamantov (The fullerens, edited by HW Kroto, JE Fischer, DE Cox, PergamonPress, Oxford, NewYork , Soul, Tokio, 1993).
Fullerén je molekula, v ktorej sú atómy uhlíka (60-240 a viac) vzájomne prepojené tak, že tvoria duté teleso s tvarom blízkym gule. Takže napríklad molekula fullerénu C 60 pripomína futbalovú loptu, tvorí ju 20 šesťuholníkov a 12 päťuholníkov. Medziatómové vzdialenosti v molekule fullerénu C 60 zostali takmer také krátke a silné ako v grafitovej vrstve (t. j. v graféne); priemer molekuly je asi 0,7 nm.
Známy supertvrdý uhlíkový materiál a spôsob jeho výroby, pričom ako zdroj uhlíkového materiálu sa využíva alotropná forma uhlíka - fullerén C 60 (RF patent 2127225, 1996).
Fullerén C 60 je vystavený tlaku 7,5–37 GPa a teplote zvolenej v rozsahu 20–1830 °C vo vysokotlakových prístrojoch: „toroidný“ typ, typ Bridgmanovej nákovy atď. počiatočný fullerén, polymerizácia molekúl alebo fragmentov nastáva u molekúl fullerénu. Kompaktné vzorky materiálov majú vysoké mechanické a elektrické vlastnosti.
Napriek vysokým mechanickým vlastnostiam opísaných supertvrdých materiálov je však ich tepelná vodivosť extrémne nízka.
To obmedzuje najmä použitie týchto materiálov v rezných nástrojoch, pretože nedostatok odvodu tepla, ktorý sa intenzívne vytvára v oblasti kontaktu medzi výrobkom a nástrojom, značne obmedzuje výkon takéhoto nástroja a vedie k jeho zlyhanie v dôsledku prehriatia.
Okrem toho v súčasnosti známe vysokotlakové zariadenia (pri 7,5 až 37 GPa) majú malé objemy, preto sú rozmery produktu, ktorý možno vyrobiť z materiálu získaného v takýchto zariadeniach, obmedzené. Tip si teda môžete jednoducho spraviť rezací nástroj 1 cm dlhý, ale prvok tela lietadla 1 m dlhé už nie je možné vyrobiť.
Preto výrobky, ktoré sa dajú vyrobiť z materiálu získaného známym spôsobom, sú hlavne hroty pre rezné nástroje.
Rnrnrn rnrnrn rnrnrn
Známy supertvrdý kompozitný materiál a spôsob jeho výroby (RF patent 2491987, 2011). Spôsob zahŕňa vystavenie počiatočnej uhlíkovej zložky vysokému tlaku a teplote, ktorou je diamant a spojivo, pričom uhlíková zložka navyše obsahuje fullerén a/alebo nanodiamant a ako spojivo sa použije jedna alebo viac zložiek vybraných z nasledujúceho radu: kremíková zliatina bronz, monel zliatina, tvrdá zliatina.
Príprava materiálu prebieha v dvoch stupňoch, v prvom je zmes východiskových zložiek vystavená dynamickému tlaku 10-50 GPa pri teplote 900-2000°C a v druhom je získaný materiál sa umiestni do vysokotlakového zariadenia a vystaví sa statickému tlaku 5 až 15 GPa a zahrieva sa na teplotu 700 až 1700 °C počas najmenej 20 sekúnd.
Známy spôsob umožňuje získať uhlíkový materiál s vysokou mikrotvrdosťou, elasticitou a zvýšenou odolnosťou proti opotrebeniu, čo umožňuje jeho použitie v banskom, kamenárskom a kovospracujúcom priemysle.
Avšak v súčasnosti známe vysokotlakové zariadenia (pri 7,5-37 GPa) majú malé objemy, preto sú rozmery výrobku, ktorý je možné vyrobiť z materiálu získaného v takýchto zariadeniach, obmedzené, čo neumožňuje použitie opísaného materiál v raketovom, vesmírnom a leteckom priemysle.
Známa je hliníková zliatina B95, ako aj kompozit na báze uhlíkových vlákien a epoxidovej živice, čo sú príklady odolného a ľahkého materiálu. Tieto materiály majú najvyšší index pevnosti - / asi 200 (index pevnosti - pomer pevnosti v ťahu alebo v priečnom ohybe (v jednotkách MPa) a hustoty (v jednotkách g / cm 3) /)
Oba materiály však nie sú vysoko tvrdé (tvrdosť menej ako 1-2 GPa) a navyše tepelne odolné (prevádzková teplota menej ako 200°C).
Známe kompozitné materiály uhlík-uhlík sú pevné a odolné voči teplu, ale nie sú vysoko tvrdé (Kompozitné materiály. Príručka vydaná V.V. Vasiliev, Yu.M. Tarnopolsky. - M., 1990).
Ďalším známym materiálom je karbid bóru, B4C je ľahký (hustota 2,52 g/cm 3 ), vysoká tvrdosť (tvrdosť cca 35 GPa) a tepelne odolný (pracovná teplota do 2000°C), no zároveň extrémne krehký, tak, že špecifikovaný parameter / je preň prakticky nemožné určiť (Samsonov G.V., Kosolapova T.Ya., Domasevich L.T. Vlastnosti, spôsoby výroby a aplikácie žiaruvzdorných karbidov a zliatin na nich založených. - Kyjev, 1974).
Známe práce (Tvrdé neusporiadané fázy produkované pri vysokotlakovom a vysokoteplotnom spracovaní C 60 . VD Blank, VN Denisov, AN Ivlev, BN Mavrin, NR Serebryanaya, GA Dubitsky, SA Sulynov, M. Yu. Popov, N. Ľvova SG Buga a G. Kremkova Carbon, V. 36, P 1263-1267 (1998)), ktorý opisuje spôsob výroby vysoko tvrdého (s tvrdosťou medzi 10 GPa a kubický BN (50 GPa)) uhlíkového materiálu z C 60 molekulárny fullerén a tento materiál samotný, pomenovaný v práci vrstvený zosieťovaný neusporiadaný uhlíkový materiál. Vysoko tvrdý (s tvrdosťou 10-50 GPa) vrstvený zosieťovaný neusporiadaný uhlíkový materiál, ďalej označovaný ako VT fullerit, sa získava vo vysokotlakových zariadeniach (pri 7-8 GPa a zahrievaní na 600-1600 °C).
Hustota fulleritu VT je asi 2,1 g/cm3 a tvrdosť H, ako je uvedené vyššie, je viac ako 10 GPa. Pri použití známych vzťahov medzi pevnosťou a tvrdosťou pre VT fullerit možno očakávať, že hodnota uvedeného parametra / bude väčšia ako 1000.
Okrem vysokej tvrdosti má VT fullerit efekt takmer úplnej elastickej obnovy odtlačku pri vtláčaní, čo naznačuje jeho jedinečné mechanické vlastnosti pri použití ako konštrukčného materiálu.
A v súčasnosti známe vysokotlakové zariadenia (pri 7,5-37 GPa) majú malé objemy, preto obmedzujú rozmery produktu, ktorý je možné vyrobiť z materiálu získaného v takýchto zariadeniach.
Známy materiál teda tiež nemôže byť použitý ako konštrukčný materiál v leteckom a leteckom priemysle.
Okrem toho pri tvorbe fulleritu VT z fullerénu C 60 dochádza k výraznému skoku v objeme: hustota počiatočného fullerénu je 1,7 g/cm 3 , zatiaľ čo hustota fulleritu VT je 2,1 g/cm 3 , čo má za následok výrazné napätia vo vzorke a v dôsledku toho jej prasknutie. Nízka tepelná vodivosť pôvodného fullerénu (0,4 W/mK) a fulleritu VT (asi 10 W/mK) vedie k veľkým teplotným gradientom počas syntézy, čo tiež vedie k praskaniu vzorky.
V prihláške vynálezu Kompozitné materiály obsahujúce nanoštruktúrovanú uhlíkovú spojivovú fázu a vysokotlakový proces V. Kear, O. Voronov. V US 2005/0186104 z 23. marca 2004 autori navrhli kompozitný materiál pozostávajúci z fázy matrice a fázy spojiva. Materiály získané z fullerénu počas termobarickej úpravy zmesi fullerénu a matricovej fázy sú navrhnuté ako väzobná fáza. Ako matricovú fázu bolo navrhnuté použiť rôzne karbidy, boridy a oxidy, ako aj diamantové a uhlíkové vlákna. V článku sa uvádza, že vysokopevnostné materiály možno získať z fulerénu pri tlakoch pod 7 GPa.
Rnrnrn rnrnrn rnrnrn
Toto tvrdenie však nie je spoľahlivé. Ako ukazujú štúdie autorov, vysokopevnostné (ako aj vysokotvrdé, s tvrdosťou nad 10 GPa) materiály sa získavajú z fullerénu C 60 len vo vysokotlakových aparatúrach pri 7-8 GPa a ohreve 600- 1600 °C, čo, ako je uvedené vyššie, neumožňuje získať materiál pre výrobky s veľkosťou väčšou ako niekoľko centimetrov, čo vylučuje použitie tohto materiálu ako konštrukčného materiálu v raketovom, vesmírnom a leteckom priemysle.
Technickým riešením, ktoré je najbližšie k nárokovaným, je vyššie uvedený spôsob získania supertvrdého kompozitného materiálu (RF patent 2491987, 2011). Metóda zahŕňa vplyv vysokého tlaku a teploty na počiatočnú uhlíkovú zložku, ktorá sa používa ako diamant, a spojivovú zložku, pričom uhlíková zložka navyše obsahuje fullerén a/alebo nanodiamant a jednu alebo viac zložiek vybraných z nasledujúceho radu sa používajú ako spojivová zložka: zliatina kremíkového bronzu, zliatina monel, tvrdokov.
Napriek tomu, že známy materiál má mikrotvrdosť, elasticitu a zvýšenú odolnosť proti opotrebeniu, je veľmi krehký a vzhľadom na obmedzený objem v súčasnosti existujúcich tlakových komôr ho nemožno získať s rozmermi väčšími ako 1 cm.
V súčasnosti známe technické riešenia teda neumožňujú získať súčasne pevné, ľahké, vysoko tvrdé a tepelne odolné kompozitné konštrukčné materiály na báze uhlíka.
Technickým cieľom tohto vynálezu je umožniť výrobu kompozitného materiálu na báze uhlíka s nízkou hustotou, vysokou pevnosťou v priečnom ohybe, vysokou tvrdosťou a tepelnou odolnosťou a výrobkov z neho s charakteristickou veľkosťou 1-100 cm. „charakteristická veľkosť“ v tomto prípade označuje typické rozmery výrobkov, ktoré možno vyrobiť z navrhovaného kompozitného materiálu.)
Účelom tohto vynálezu je vytvoriť spôsob výroby vysokopevnostného, vysokotvrdého, tepelne odolného a ľahkého kompozitného materiálu na báze uhlíka vhodného na výrobu výrobkov z neho s charakteristickou veľkosťou 1-100 cm, ktoré je možné použiť súčasne ako v raketovom a kozmickom a leteckom priemysle, tak aj v kovoobrábaní, spracovaní prírodného kameňa, iných tvrdých a supertvrdých materiálov.
Na tento účel sa navrhuje spôsob výroby kompozitného materiálu na báze uhlíka, ktorý zahŕňa vystavenie zmesi materiálu obsahujúceho uhlík a plniva s tlakom a teplotou, pričom sa do zmesi pridá zlúčenina obsahujúca síru a vystavenie sa uskutočňuje pri teplote 600-2000 stupňov a tlaku 0,1-20 GPa.
Výhodne sa zlúčenina obsahujúca síru pridáva v množstve 0,1 až 3 % hmotn., vztiahnuté na síru, vztiahnuté na hmotnosť uhlíkatého materiálu.
V tomto prípade sa ako zlúčenina obsahujúca síru používa sírouhlík alebo zlúčenina zo skupiny merkaptánov alebo produkt interakcie zlúčeniny zo skupiny merkaptánov s elementárnou sírou.
Ako materiál obsahujúci uhlík sa používa molekulárny fullerén C60 alebo sadze obsahujúce fullerén.
Výhodne sa ako plnivo používa karbid bóru v množstve 30 až 70 % hmotn., vztiahnuté na hmotnosť uhlíkatého materiálu.
Výhodne sa ako plnivo použijú uhlíkové vlákna alebo diamant alebo nitridy alebo karbidy alebo boridy alebo oxidy v množstve od 1 do 99 % hmotn. z hmotnosti uhlíkatého materiálu.
Je výhodné, ak sa expozícia uskutočňuje pri teplote 800-1200 stupňov a tlaku 0,5-10 GPa.
Kompozitný materiál získaný spôsobom podľa ktoréhokoľvek z odsekov 1-8 sa tiež navrhuje na ochranu.
Výhodne je kompozitný materiál určený na výrobu výrobkov z neho s charakteristickou veľkosťou 1 až 100 cm.
Je známe, že vysoké mechanické vlastnosti kompozitných materiálov na báze uhlíka sú spôsobené tvorbou chemických väzieb medzi fázou matrice a spojiva.
Ako však už bolo poznamenané, v súčasnosti je možné získať kompozitný materiál s dobrými mechanickými vlastnosťami iba vo vysokotlakových aparatúrach (pri 5–15 GPa), kde pevnosť (vzhľadom na vytváranie chemických väzieb) spoja Počas syntézy je zabezpečený podiel fáz matrice a spojiva. Pri nižších tlakoch je pevnosť fáz matrice, ako aj pevnosť spojenia fáz matrice a spojiva extrémne nízka a takýto kompozitný materiál nebude mať žiadne významné hodnoty pevnosti pri namáhaní v ťahu (pevnosť v ťahu alebo ohybe).
Ako ukázal výskum autorov, ukázalo sa, že je možné vybrať prvky, ktoré sú iniciátormi tvorby chemických väzieb tak medzi molekulami C 60, ako aj medzi C 60 a ostatnými zložkami kompozitného materiálu a pri viac nízky tlak a teplotu. Okrem inicializácie polymerizačnej reakcie C 60 - 3D (tj. trojrozmernej, kedy sa vo všetkých smeroch vytvárajú kovalentné väzby spájajúce molekuly C 60), musí byť takáto látka rovnomerne rozložená v celom objeme východiskového materiálu. Ak je takýto inicializátor rovnomerne distribuovaný v celom fulleréne v kompozite, potom možno očakávať rovnomernejší priebeh procesu tvorby kompozitu (sprevádzaný tvorbou chemických väzieb) a v dôsledku toho rovnomernejšie rozloženie fyzikálnych a mechanických vlastnosti vo výslednom kompozite. Podľa výskumu autorov to môže byť zlúčenina obsahujúca síru vybraná zo skupiny: sírouhlík alebo zlúčenina z merkaptánovej skupiny, najmä izoamylmerkaptán, alebo reakčný produkt zlúčeniny z merkaptánovej skupiny s elementárnou sírou.
Ukázalo sa, že spomedzi takejto skupiny najviac spĺňa špecifikované požiadavky sírouhlík CS 2. Sirouhlík CS2 má potenciálne obe uvedené vlastnosti. V skutočnosti sa rozkladá v podmienkach spekania kompozitného materiálu za uvoľňovania elementárnej síry (Tonkov EY, High Pressure Phase Transformations Handbook Vol. 1. Amsterdam: OPA; 1992). Vzhľadom na vysokú afinitu k uhlíku, atómy síry (po rozklade CS 2) vytvoria kovalentné väzby CS s fullerénom a premenia molekulu fullerénu na radikál, ktorý následne iniciuje tvorbu väzieb s okolitými molekulami alebo inými zložkami materiál. Okrem toho je CS 2 dobrým rozpúšťadlom pre molekulárny fullerén C60, a preto ľahko preniká do molekulárneho kryštálu pôvodného C60. Atómy síry tak môžu byť rovnomerne rozložené v priestore, ktorý zaberá fullerén. Pretože takéto inicializačné centrá sú rovnomerne rozdelené v objeme obsadenom fullerénom, výsledkom je izotropný produkt.
Plnivo zohráva významnú úlohu pri syntéze kompozitného materiálu. Pri vytváraní matrice z fulerénu C 60 dochádza k výraznému objemovému skoku: hustota počiatočného fulerénu je 1,7 g/cm 3, pričom hustota matrice je 2,1 g/cm3, jeho praskanie. Nízka tepelná vodivosť pôvodného fullerénu (0,4 W/mK) a z neho získanej matrice (asi 10 W/mK) navyše vedie k veľkým teplotným gradientom pri syntéze, čo vedie aj k praskaniu vzorky. Plnivo v dôsledku elastickej deformácie a vyššej tepelnej vodivosti vyrovnáva vyššie uvedené vplyvy, čo umožňuje získať kompozitný materiál bez trhlín.
Na charakterizáciu štruktúry získaných vzoriek bola použitá známa metóda štúdia röntgenovej difrakcie.
Na kontrolu elementárneho zloženia získaných vzoriek sme použili analýzu známymi metódami energeticko-disperznej a vlnovej spektroskopie pomocou skenovacieho elektrónového mikroskopu.
Na charakterizáciu mechanických vlastností sa uskutočnilo podľa známych metód merania tvrdosti a pevnosti v ohybe.
Tvrdosť sa merala pomocou Vickersovej alebo Knuppovej pyramídy v súlade s GOST 9450-76.
Merania pevnosti v ťahu pri priečnom ohybe sa uskutočňovali podľa schémy trojbodového ohýbania v súlade s GOST 20019-74.
Moduly pružnosti boli stanovené známou ultrazvukovou metódou.
Hodnoty modulov pružnosti umožňujú posúdiť väzby medzi komponentmi kompozitu. Vysoké moduly pružnosti indikujú prítomnosť chemickej väzby medzi plnivom a uhlíkovým materiálom získaným ako výsledok syntézy.
Hustota vzoriek sa merala známou metódou hydrostatického váženia.
Konečným parametrom, široko používaným v strojárstve, podľa ktorého je perspektíva využitia získaného materiálu v raketovom, kozmickom a leteckom priemysle, je pomer pevnosti k hustote / .
Tepelná odolnosť vzorky bola stanovená známou metódou termogravimetrickej analýzy.
Na obr. Obrázok 1 ukazuje výsledky merania pevnosti v priečnom ohybe vzorky kompozitného materiálu syntetizovaného zo zmesi C 60 a B 4 C (v pomere 50/50 hmotnostných %) v prítomnosti CS 2 pri tlaku 2 GPa a teplote 1000°C. Pevnosť v ťahu pri priečnom ohybe =570 MPa.
Na obr. Obrázok 2 ukazuje výsledky merania pevnosti v tlaku vzorky kompozitného materiálu syntetizovaného zo zmesi C 60 a B 4 C (v pomere 50/50 hmotnostných %) v prítomnosti CS 2 pri tlaku 2 GPa a teplote 1000°C. Konečná pevnosť v tlaku v tlaku =2250 MPa.
Na obr. 3 ukazuje výsledky termogravimetrickej analýzy vzoriek, uskutočnenej až do 1400 °C na vzduchu. Spodná krivka zodpovedá vzorke kompozitného materiálu syntetizovaného zo zmesi C 60 a B 4 C (v pomere 50/50 hmotnostných %) za prítomnosti CS 2 pri tlaku 2 GPa a teplote 1000 st. °C. Horná krivka zodpovedá počiatočnému prášku karbidu bóru.
Nasledujúce príklady ilustrujú vynález bez toho, aby ho v podstate obmedzovali.
Príklad 1. Získanie kompozitného materiálu podľa vynálezu pri tlaku 0,1 GPa.
Za týmto účelom sa zmes naplní do vysokotlakovej komory typu piest-valec, zaťaží sa na pevný tlak 0,1 GPa a zahreje sa na teplotu 1000 °C s dobou výdrže 100 s. Po vyložení sa vzorka skúma röntgenovou difrakciou, Ramanovou spektroskopiou, transmisným elektrónovým mikroskopom, vykonáva sa termogravimetrická analýza a skúmajú sa jej mechanické vlastnosti.
Rnrnrn rnrnrn rnrnrn
Merania pevnosti v priečnom ohybe, vykonané podľa schémy trojbodového ohybu (GOST 20019-74), udávajú hodnotu pevnosti v priečnom ohybe * ohyb = 400 MPa.
Hustota sa meria hydrostatickým vážením. Hustota vzorky je 2,20 g/cm3.
Zadaný parameter */ =180, t.j. výsledný materiál je lepší ako mnohé materiály používané v raketovom a vesmírnom a leteckom priemysle.
Príklad 2. Získanie kompozitného materiálu podľa vynálezu pri tlaku 0,5 GPa.
Prášok karbidu bóru B 4 C (s priemernou veľkosťou zrna 100 nm) v množstve 1 g sa zmieša s práškom molekulárneho fullerénu C 60 (s priemernou veľkosťou zrna 1 μm) v množstve 1 g (v hmotnostný pomer 50/50 %) vo vibračnom mlyne.
K výslednej zmesi C60 a B4C sa pridá sírouhlík CS2 v množstve 0,05 ml CS2 na 1 g zmesi. Potom sa zmes C 60, B 4 C a CS 2 rozomelie v agátovej mažiari, kým sa nedosiahne homogénna konzistencia a použije sa na výrobu vzoriek.
Za týmto účelom sa zmes naplní do vysokotlakovej komory typu piest-valec s pracovným priemerom 100 mm, zaťaží sa na pevný tlak 0,5 GPa a zahreje sa na teplotu 1000 °C s dobou výdrže. 100 s. Výsledná vzorka má priemer 100 mm. Zo vzoriek tejto veľkosti je možné vyrobiť najmä tepelný štít alebo lopatku turbíny.
Po vyložení sa vzorka skúma röntgenovou difrakciou, Ramanovou spektroskopiou, transmisným elektrónovým mikroskopom, vykonáva sa termogravimetrická analýza a skúmajú sa jej mechanické vlastnosti.
Tvrdosť sa meria pomocou Vickersovej alebo Knuppovej pyramídy (GOST 9450-76). Tvrdosť materiálu získaného v tomto príklade je v rozsahu 10-70 GPa a materiál je vysoko tvrdý.
Elementárna analýza sa vykonáva energeticko-disperznou a vlnovou spektroskopiou pomocou skenovacieho elektrónového mikroskopu. Uskutočnená elementárna analýza ukazuje prítomnosť síry vo výslednom materiáli menej ako 0,01 %, t.j. síra sa odstraňuje z výsledného materiálu počas procesu syntézy.
Merania pevnosti v priečnom ohybe, vykonané podľa schémy trojbodového ohybu (GOST 20019-74), udávajú hodnotu pevnosti v priečnom ohybe * ohyb = 500 MPa.
Hustota sa meria hydrostatickým vážením. Hustota vzorky je 2,23 g/cm3.
Zadaný parameter */ =220, t.j. výsledný materiál je lepší ako mnohé materiály používané v raketovom a vesmírnom a leteckom priemysle.
Moduly pružnosti sa stanovujú ultrazvukovou metódou. Priemerné hodnoty modulov pružnosti vzorky sú: Youngov modul E=150 GPa, objemový modul K=110 GPa, modul pružnosti v šmyku G=60 GPa. Vysoké moduly pružnosti indikujú prítomnosť chemickej väzby medzi karbidom bóru a uhlíkovým materiálom získaným ako výsledok syntézy.
Termogravimetrická analýza vzorky, uskutočnená až do 1400 °C na vzduchu, ukázala prírastok hmotnosti asi 3 %, počnúc teplotou 800 °C, ktorá je spojená s oxidáciou karbidu bóru. Vo všeobecnosti sa ukázalo, že vzorka je odolná voči teplu.
Kompozitný materiál získanej vzorky je teda pevný, ľahký, vysoko tvrdý a odolný voči teplu.
Príklad 3. Získanie kompozitného materiálu podľa vynálezu pri tlaku 2 GPa.
Prášok karbidu bóru B 4 C (s priemernou veľkosťou zrna 100 nm) v množstve 1 g sa zmieša s molekulárnym práškom C 60 (s priemernou veľkosťou zrna 1 μm) v množstve 1 g (v hmotnostnom pomere 50/50 %) vo vibračnom mlyne. K výslednej zmesi C60 a B4C sa pridá sírouhlík CS2 v množstve 0,05 ml CS2 na 1 g zmesi. Potom sa zmes C 60, B 4 C a CS 2 rozomelie v agátovej mažiari, kým sa nedosiahne homogénna konzistencia a použije sa na výrobu vzoriek. Za týmto účelom sa zmes naplní do vysokotlakovej komory typu piest-valec, zaťaží sa na pevný tlak 2 GPa a zahreje sa na teplotu 1000 °C s dobou výdrže 100 s. Po vyložení sa vzorka skúma röntgenovou difrakciou, Ramanovou spektroskopiou, transmisným elektrónovým mikroskopom, vykonáva sa termogravimetrická analýza a skúmajú sa jej mechanické vlastnosti.
Merania pevnosti v priečnom ohybe, vykonané podľa schémy trojbodového ohybu (GOST 20019-74), udávajú hodnotu pevnosti v priečnom ohybe * ohyb = 570 MPa (obr. 1) a pevnosť v tlaku 2250 MPa ( Obr. 2).
Zadaný parameter */ =250.
Moduly pružnosti sa stanovujú ultrazvukovou metódou. Priemerné hodnoty modulov pružnosti vzorky sú: Youngov modul E=190 GPa, objemový modul K=120 GPa, modul pružnosti v šmyku G=75 GPa. Vysoké moduly pružnosti indikujú prítomnosť chemickej väzby medzi karbidom bóru a uhlíkovým materiálom získaným ako výsledok syntézy.
Termogravimetrická analýza vzorky, uskutočnená až do 1400 °C na vzduchu, ukázala prírastok hmotnosti asi 3 %, počnúc teplotou 600 °C, čo súvisí s oxidáciou karbidu bóru (obr. 3, spodná krivka ). Vo všeobecnosti sa ukázalo, že vzorka je odolná voči teplu. Pre porovnanie, na obr. Obrázok 3 ukazuje údaje termogravimetrickej analýzy pre počiatočný prášok karbidu bóru, uskutočnenú za rovnakých podmienok. V druhom prípade dochádza k nárastu hmotnosti asi o 100 % spojenému s oxidáciou, napriek tomu, že karbid bóru je tepelne odolný materiál (obr. 3, horná krivka). Preto je v kompozitnom materiáli pozorovaný významný nárast tepelnej odolnosti v porovnaní s pôvodným B 4 C.
Kompozitný materiál získanej vzorky je teda pevný, ľahký, vysoko tvrdý a odolný voči teplu.
Príklad 4. Získanie kompozitného materiálu pri teplote 600-2000 °C v súlade s vynálezom.
Vyrába sa niekoľko vzoriek. Na tento účel sa prášok karbidu bóru B 4 C (s priemernou veľkosťou zrna 100 nm) zmieša s molekulárnym práškom C 60 (s priemernou veľkosťou zrna 1 μm) v hmotnostnom pomere 30/70 % a 70/30 %. vo vibračnom mlyne. Celková hmotnosť zmesi je v každom prípade 2 g. K výslednej zmesi C60 a B4C sa pridá sírouhlík CS2 v množstve 0,05 ml CS2 na 1 g zmesi. Potom sa zmes C 60, B 4 C a CS 2 rozomelie v agátovej mažiari, kým sa nedosiahne homogénna konzistencia a použije sa na výrobu vzoriek. Za týmto účelom sa zmes naplní do vysokotlakovej komory typu piest-valec, naplní sa na pevný tlak 1 GPa a zahreje sa na pevnú teplotu s pevným časom zotrvania na špecifikovanej teplote. Vzorky boli získané pri teplotách 600, 700, 800, 900, 1000, 1100, 1200, 1300, 1400, 1500, 1600 a 2000 °C s dobou zdržania 0,1, 1, 10, 10, 200 s. Po vyložení sa vzorky skúmajú röntgenovou difrakciou, Ramanovou spektroskopiou, transmisným elektrónovým mikroskopom, vykonáva sa termogravimetrická analýza a skúmajú sa jej mechanické vlastnosti.
Tvrdosť sa meria pomocou Vickersovej alebo Knuppovej pyramídy (GOST 9450-76). Tvrdosť získaných vzoriek je v rozmedzí 10-70 GPa a materiál je vysoko tvrdý.
Elementárna analýza sa vykonáva energeticko-disperznou a vlnovou spektroskopiou pomocou skenovacieho elektrónového mikroskopu. Uskutočnená elementárna analýza ukazuje prítomnosť síry v materiáli menej ako 0,01 %, t.j. síra sa odstraňuje z výsledného materiálu počas procesu syntézy.
Merania pevnosti v ťahu pri priečnom ohybe sa vykonávajú podľa schémy trojbodového ohybu (GOST 20019-74). Hustota sa meria hydrostatickým vážením. Uvedený parameter */ získaných vzoriek nie je nižší ako 200. Vzorky sú stabilné minimálne do 1400°C.
Príklad 5. Získanie kompozitného materiálu podľa vynálezu, kde sa ako materiál obsahujúci uhlík používajú sadze obsahujúce fullerén.
Práškový karbid bóru B 4 C (s priemernou veľkosťou zŕn 100 nm) v množstve 1 g sa zmieša s práškovými sadzami obsahujúcimi fullerén (s priemernou veľkosťou zŕn 1 μm) s obsahom C 60 60 % v množstvo 1 g (v hmotnostnom pomere 50/50 %) vo vibračnom mlyne. Do výslednej zmesi sadzí s obsahom fullerénu a B4C sa pridá sírouhlík CS2 v množstve 0,05 ml CS2 na 1 g zmesi. Potom sa zmes sadzí obsahujúcich fullerén, B 4 C a CS 2 rozomelie v agátovej mažiari, kým sa nedosiahne homogénna konzistencia a použije sa na výrobu vzoriek. Na tento účel sa zmes naplní do vysokotlakovej komory typu piest-valec, zaťaží sa na pevný tlak 1 GPa a zahreje sa na teplotu 1000 °C s dobou výdrže 100 s. Po vyložení sa skúmajú jeho mechanické vlastnosti vzorky.
Tvrdosť sa meria pomocou Vickersovej alebo Knuppovej pyramídy (GOST 9450-76). Tvrdosť materiálu získaného autormi je v rozmedzí 10-70 GPa a materiál je vysoko tvrdý.
Elementárna analýza sa vykonáva energeticko-disperznou a vlnovou spektroskopiou pomocou skenovacieho elektrónového mikroskopu. Uskutočnená elementárna analýza ukazuje prítomnosť síry vo výslednom materiáli menej ako 0,01 %, t.j. síra sa odstraňuje z výsledného materiálu počas procesu syntézy.
Merania pevnosti v ťahu pri priečnom ohybe sa vykonávajú podľa schémy trojbodového ohybu (GOST 20019-74). Hustota sa meria hydrostatickým vážením. Uvedený parameter */ získaných vzoriek je 100. Vzorky sú stabilné minimálne do 1400°C.
Takto získaný kompozitný materiál vzoriek je pevný, ľahký, vysoko tvrdý a odolný voči teplu.
Príklad 6. Získanie kompozitného materiálu podľa vynálezu.
Vyrobí sa niekoľko vzoriek, na to sa každý z práškov diamantu, karbidu kremíka SiC, nitridu hliníka AlN, oxidu hlinitého Al 2 O 3, oxidu zirkoničitého ZrO 2 v množstve 1 g zmieša s práškom molekulového C 60 v množstvo 1 g (v hmotnostnom pomere 50/50 %) vo vibračnom mlyne. K výslednej zmesi C60 a každého z uvedených práškov (SiC, AlN, Al203 a Zr02) sa pridá sírouhlík CS2 v množstve 0,05 ml CS2 na 1 g zmesi. Potom sa zmes získaná pridaním CS 2 rozomelie v agátovej mažiari, kým sa nedosiahne homogénna konzistencia a použije sa na výrobu vzoriek. Za týmto účelom sa každá zo zmesí vloží do vysokotlakovej komory typu piest-valec, zaťaží sa na pevný tlak 1 GPa a zahreje sa na teplotu 1000 °C s dobou výdrže 100 s. Po vyložení sa skúmajú mechanické vlastnosti vzoriek.
Elementárna analýza sa vykonáva energeticko-disperznou a vlnovou spektroskopiou pomocou skenovacieho elektrónového mikroskopu. Uskutočnená elementárna analýza ukazuje prítomnosť síry vo výslednom materiáli menej ako 0,01 %, t.j. síra sa odstraňuje z výsledného materiálu počas procesu syntézy.
Takto získaný kompozitný materiál vzoriek je pevný, ľahký, vysoko tvrdý a odolný voči teplu.
Príklad 7 Príprava kompozitného materiálu podľa vynálezu, kde sú ako uhlíkatý materiál použité uhlíkové vlákna.
K molekulárnemu prášku C60 sa pridá sírouhlík CS2 v množstve 0,05 ml CS2 na 1 g C60. Potom sa zmes rozomelie v agátovej mažiari, kým sa nedosiahne homogénna konzistencia. Do výslednej zmesi sa pridajú uhlíkové vlákna v hmotnostnom pomere 50 % k C 60 fullerénu a dôkladne sa premiešajú špachtľou. Potom sa zmes v množstve 2 g naplní do vysokotlakovej komory typu piest-valec, zaťaží na pevný tlak 2 GPa a zahreje na teplotu 1000°C s dobou výdrže 100 s. Po vyložení sa skúmajú mechanické vlastnosti vzoriek.
Tvrdosť sa meria pomocou Vickersovej alebo Knuppovej pyramídy (GOST 9450-76). Tvrdosť výsledného materiálu je v rozmedzí 10-70 GPa a materiál je vysoko tvrdý.
Elementárna analýza sa vykonáva energeticko-disperznou a vlnovou spektroskopiou pomocou skenovacieho elektrónového mikroskopu. Uskutočnená elementárna analýza ukazuje prítomnosť síry vo výslednom materiáli menej ako 0,01 %, t.j. síra sa odstraňuje z výsledného materiálu počas procesu syntézy.
Merania pevnosti v ťahu pri priečnom ohybe sa vykonávajú podľa schémy trojbodového ohybu (GOST 20019-74). Hustota sa meria hydrostatickým vážením. Uvedený parameter */ získaných vzoriek nie je nižší ako 100. Vzorky sú stabilné minimálne do 1000°C.
Takto získaný kompozitný materiál vzoriek je pevný, ľahký, vysoko tvrdý a odolný voči teplu.
Príklad 8. Získanie kompozitného materiálu podľa vynálezu, kde sa ako plnivo používa kubický nitrid bóru.
Prášok kubického nitridu bóru c-BN (s priemernou veľkosťou zrna asi 1 μm) v množstve 1 g sa zmieša s práškom molekulového C 60 (s priemernou veľkosťou zrna 1 μm) v množstve 1 g ( v hmotnostnom pomere 50/50 %) vo vibračnom mlyne. K výslednej zmesi C60 a c-BN sa pridá sírouhlík CS2 v množstve 0,05 ml CS2 na 1 g zmesi. Potom sa zmes C 60, c-BN a CS 2 rozomelie v achátovej mažiari, kým sa nedosiahne homogénna konzistencia a použije sa na výrobu vzoriek. Za týmto účelom sa zmes naplní do vysokotlakovej komory typu piest-valec, zaťaží sa na pevný tlak 2 GPa a zahreje sa na teplotu 1000 °C s dobou výdrže 100 s. Po vyložení sa vzorka skúma röntgenovou difrakciou, Ramanovou spektroskopiou, transmisným elektrónovým mikroskopom a skúmajú sa jej mechanické vlastnosti.
Tvrdosť sa meria pomocou Vickersovej alebo Knuppovej pyramídy (GOST 9450-76). Tvrdosť materiálu získaného autormi je v rozmedzí 10-70 GPa a materiál je vysoko tvrdý.
Elementárna analýza sa vykonáva energeticko-disperznou a vlnovou spektroskopiou pomocou skenovacieho elektrónového mikroskopu. Uskutočnená elementárna analýza ukazuje prítomnosť síry v materiáli menej ako 0,01 %, t.j. síra sa odstraňuje z výsledného materiálu počas procesu syntézy.
Merania pevnosti v ťahu pri priečnom ohybe, vykonané podľa schémy trojbodového ohybu (GOST 20019-74), udávajú hodnotu pevnosti v ťahu * ohyb = 300 MPa.
Hustota sa meria hydrostatickým vážením. Hustota vzorky je 2,8 g/cm3.
Vzorky sú stabilné do minimálne 1400°C v ochrannej atmosfére.
Takto získaný kompozitný materiál vzoriek je pevný, ľahký, vysoko tvrdý a odolný voči teplu.
Príklad 9. Získanie kompozitného materiálu pri teplotách mimo teplotného rozsahu 600-2000 °C.
Vyrába sa niekoľko vzoriek. Na tento účel sa prášok karbidu bóru B 4 C (s priemernou veľkosťou zrna 100 nm) zmieša s molekulárnym práškom C 60 (s priemernou veľkosťou zrna 1 μm) v hmotnostnom pomere 50/50 % vo vibračnom mlyne. . Celková hmotnosť zmesi je v každom prípade 2 g. K výslednej zmesi C60 a B4C sa pridá sírouhlík CS2 v množstve 0,05 ml CS2 na 1 g zmesi. Potom sa zmes C 60, B 4 C a CS 2 rozomelie v agátovej mažiari, kým sa nedosiahne homogénna konzistencia a použije sa na výrobu vzoriek. Za týmto účelom sa zmes naplní do vysokotlakovej komory typu piest-valec, naplní sa na pevný tlak 2 GPa a zahreje sa na pevnú teplotu s pevným časom zotrvania na špecifikovanej teplote. Vzorky boli získané pri teplotách 400 a 2400 °C s dobou výdrže 100 s. Po vyložení vzorky sa skúmajú jej mechanické vlastnosti.
Príklad 10. Získanie kompozitného materiálu mimo rozsah tlaku 0,1-20 GPa.
Prášok karbidu bóru B 4 C (s priemernou veľkosťou zrna 100 nm) v množstve 1 g sa zmieša s práškom molekulárneho fullerénu C 60 (s priemernou veľkosťou zrna 1 μm) v množstve 1 g (v hmotnostný pomer 50/50 %) vo vibračnom mlyne.
K výslednej zmesi C60 a B4C sa pridá sírouhlík CS2 v množstve 0,05 ml CS2 na 1 g zmesi. Potom sa zmes C 60, B 4 C a CS 2 rozomelie v agátovej mažiari, kým sa nedosiahne homogénna konzistencia a použije sa na výrobu vzoriek.
Za týmto účelom sa zmes naplní do vysokotlakovej komory typu piest-valec, zaťaží sa na pevný tlak 0,05 GPa (získanie vzoriek pri tlaku nad 20 GPa sa zdá byť technicky náročné) a zahreje sa na teplotu 1000 ° C s dobou výdrže 100 s. Po vyložení vzorky sa skúmajú jej mechanické vlastnosti.
Tvrdosť sa meria pomocou Vickersovej alebo Knuppovej pyramídy (GOST 9450-76). Tvrdosť získaných vzoriek je pod 10 GPa a materiál nie je vysoko tvrdý.
Kompozitný materiál získaných vzoriek teda nie je veľmi tvrdý.
Príklad 11 Príprava kompozitného materiálu podľa vynálezu s použitím merkaptánu alebo tiolu namiesto sírouhlíka.
Prášok karbidu bóru B 4 C (s priemernou veľkosťou zrna 100 nm) v množstve 1 g sa zmieša s práškom molekulárneho fullerénu C 60 (s priemernou veľkosťou zrna 1 μm) v množstve 1 g (v hmotnostný pomer 50/50 %) vo vibračnom mlyne.
Do výslednej zmesi C 60 a B 4 C sa pridá izoamylmekaptán C 5 H 11 SH alebo tiol C 6 H 5 SH v množstve 0,05 ml C 5 H 11 SH alebo C 6 H 5 SH na 1 g zmesi. . Potom sa zmes C 60, B 4 C a C 5 H 11 SH alebo C 6 H 5 SH rozomelie v agátovej mažiari, kým sa nedosiahne homogénna konzistencia a použije sa na výrobu vzoriek.
Za týmto účelom sa zmes naplní do vysokotlakovej komory typu piest-valec, zaťaží sa na pevný tlak 2 GPa a zahreje sa na teplotu 1000 °C s dobou výdrže 100 s. Po vyložení vzorky sa skúmajú jej mechanické vlastnosti.
Tvrdosť sa meria pomocou Vickersovej alebo Knuppovej pyramídy (GOST 9450-76). Tvrdosť materiálu získaného autormi je v rozmedzí 10-70 GPa a materiál je vysoko tvrdý.
Merania pevnosti v priečnom ohybe, vykonané podľa schémy trojbodového ohybu (GOST 20019-74), udávajú hodnotu pevnosti v priečnom ohybe * ohyb = 530 MPa.
Hustota sa meria hydrostatickým vážením. Hustota vzorky je 2,3 g/cm3.
Zadaný parameter */ =230.
Termogravimetrická analýza vzorky, uskutočnená až do 1400 °C na vzduchu, ukázala, že vzorka sa ukázala ako tepelne stabilná.
Kompozitný materiál získanej vzorky je teda pevný, ľahký, vysoko tvrdý a odolný voči teplu.
Nárokovať
1. Spôsob výroby kompozitného materiálu na báze uhlíka, vrátane vystavenia zmesi materiálu obsahujúceho uhlík a plniva s tlakom a teplotou, vyznačujúci sa tým, že do zmesi sa pridá zlúčenina obsahujúca síru a expozícia sa uskutoční von pri teplote 600-2000 stupňov a tlaku 0,1-20 GPa.
2. Spôsob podľa bodu 1, vyznačujúci sa tým, že zlúčenina obsahujúca síru sa pridáva v množstve od 0,1 do 3 % hmotn., vyjadrené ako síra, vztiahnuté na hmotnosť materiálu obsahujúceho uhlík.
3. Spôsob podľa bodu 1, vyznačujúci sa tým, že ako zlúčenina obsahujúca síru sa použije sírouhlík.
4. Spôsob podľa nároku 1, vyznačujúci sa tým, že ako zlúčenina obsahujúca síru sa použije zlúčenina zo skupiny merkaptánov alebo reakčný produkt zlúčeniny zo skupiny merkaptánov s elementárnou sírou.
5. Spôsob podľa bodu 1, vyznačujúci sa tým, že ako materiál obsahujúci uhlík sa použije molekulárny fullerén C60.
6. Spôsob podľa bodu 1, vyznačujúci sa tým, že ako materiál obsahujúci uhlík sa použijú sadze obsahujúce fullerén.
7. Spôsob podľa bodu 1, vyznačujúci sa tým, že ako plnivo sa použije karbid bóru v množstve od 30 do 70 % hmotn., vztiahnuté na hmotnosť uhlík obsahujúceho materiálu.
8. Spôsob podľa nároku 1, vyznačujúci sa tým, že ako plnivo sa použijú uhlíkové vlákna alebo diamant, alebo nitridy, alebo karbidy, alebo boridy, alebo oxidy v množstve od 1 do 99 hmotnostných % hmotnosti uhlíka. - obsahujúci materiál.
9. Spôsob podľa bodu 1, v y z n a č u j ú c i s a t ý m, že ráz sa výhodne uskutočňuje pri teplote 800 až 1200 stupňov a tlaku 0,5 až 10 GPa.
10. Kompozitný materiál získaný metódou podľa ktoréhokoľvek z odsekov. 1-9.
11. Kompozitný materiál podľa nároku 10, vyznačujúci sa tým, že je určený na výrobu výrobkov z neho s charakteristickou veľkosťou 1 až 100 cm.
Meno vynálezcu:
Blank Vladimir Davydovich (RU), Mordkovich Vladimir Zalmanovich (RU), Ovsyannikov Danila Alekseevich (RU), Perfilov Sergey Alekseevich (RU), Pozdnyakov Andrey Anatolyevich (RU), Popov Michail Yurievich (RU), Prochorov Vjačeslav Maksimovič (RU)
Meno majiteľa patentu:
Federálny štátny rozpočtový vedecký ústav „Technologický inštitút supertvrdých a nových uhlíkových materiálov“ (FGBNU TISNUM) (RU)
Poštová adresa pre korešpondenciu:
125502, Moskva, ul. Lavočkina, 50, budova 1, apt. 24, Tsetovič N.L.
Dátum začiatku patentu:
29.04.2014
Uhlík - uhlík sa nazývajú CM, čo je uhlíková matrica vystužená uhlíkovými vláknami alebo tkaninami. Blízke fyzikálne a chemické vlastnosti poskytujú pevnú väzbu medzi vláknami a matricou a jedinečné vlastnosti týchto CM. Mechanické vlastnosti týchto CM sú viac závislé od schémy vystuženia (sin sa môže meniť od 100 do 1000 MPa). Najlepšie usporiadanie vystužených vlákien je, keď sú umiestnené v troch alebo viacerých smeroch.
Uhlík - uhlíkové CM majú nízku hustotu (1,3 ... 2 t / m 3), nízku tepelnú kapacitu, odolnosť voči tepelným šokom, erózii a ožiareniu; nízke koeficienty trenia a lineárnej rozťažnosti; vysoká odolnosť proti korózii; široký rozsah elektrických vlastností; vysoká pevnosť a tuhosť. To je nepochybne výhoda týchto materiálov. Pri uhlíkovo-uhlíkových CM sa s nárastom teploty zvyšuje pevnosť 1,5 ... 2 krát a modul pružnosti.
Medzi nevýhody patrí sklon k oxidácii pri zahriatí na teploty nad 500 °C v oxidačnom prostredí. V inertnom prostredí a vo vákuu z uhlík-uhlík CM pracujú do 3000 °C.
Východiskovým materiálom pre matrice sú syntetické organické živice s vysokým zvyškom koksu (fenolformaldehyd, furán, epoxid atď.). Termosetové živice majú dobré impregnačné vlastnosti. Väčšina z nich sa vytvrdzuje pri relatívne nízkych teplotách (do 200...250 °C) a obsahuje 50...56 % koksu. Pri pyrolýze tvoria sklovitý uhlík, ktorý do 3000 °C nepodlieha grafitizácii.
Medzi nevýhody ihrísk patrí heterogénnosť chemické zloženie prispieva k tvorbe pórovitosti; termoplasticita spôsobujúca migráciu spojív a deformáciu produktu; prítomnosť karcinogénnych zlúčenín vyžadujúcich dodatočné bezpečnostné opatrenia. Výplne uhlíkovo-uhlíkových CM sú uhlíkovo-grafitové vlákna, kúdele, vlákna a tkané materiály. Štruktúra a vlastnosti KM do značnej miery závisia od spôsobu ich prípravy. Nasledujúce dva sú najpoužívanejšie.
Prvý spôsob pozostáva z impregnácie grafitových vlákien živicou alebo smolou, navinutie obrobku, jeho vytvrdenie a opracovanie na daný rozmer, karbonizácia pri 800 ... 1500 ° C v inertnom plyne alebo neutrálnom prostredí, zhutnenie pyrometrickým uhlíkom, grafitizácia pri 2500 ... nanášanie antioxidačných povlakov karbidov kremíka a zirkónu. Aby sa získal materiál s vysokou hustotou, cyklus impregnácia - vytvrdzovanie - karbonizácia sa mnohokrát opakuje. Celkovo proces trvá asi 75 hodín Hustota KM získaného týmto spôsobom je 1,3 ... 2 t/m 3 .
Druhý spôsob získania uhlík-uhlík CM spočíva v ukladaní uhlíka z plynného média vzniknutého pri tepelnom rozklade uhľovodíkov (napríklad metánu) na vlákna rámu obrobku (výrobku) a vypĺňaní pórov medzi nimi. . Metóda naparovania je drahšia, ale poskytuje silnejšiu priľnavosť vlákien k matrici, vyšší obsah uhlíka v matrici a vyššiu hustotu celého CM. Táto metóda umožňuje získať CM s rôznymi vlastnosťami, vrátane tých so špecifikovanými vlastnosťami.
Kompozitné materiály uhlík-uhlík(CCCM) obsahujú uhlíkotvorný prvok vo forme diskrétnych vlákien, súvislých nití alebo zväzkov, plstí, pások, tkanín s plochým a objemovým tkaním, objemových rámových štruktúr. Vlákna sú usporiadané náhodne v jednom, dvoch a troch smeroch.
uhlíková matrica spája tvarovacie prvky v kompozite do jedného celku, čo umožňuje lepšie vnímať rôzne vonkajšie zaťaženia. Predurčujúcimi faktormi pri výbere materiálu matrice sú zloženie, vlastnosti a štruktúra koksu. Medzi množstvo špeciálnych vlastností CCCM patrí nízka pórovitosť, nízky koeficient tepelnej rozťažnosti, zachovanie stabilnej štruktúry a vlastností, ako aj rozmery výrobkov pri zahriatí na 2000 °C a ochladení, vysoké mechanické vlastnosti, ako aj dobré elektrické vodivosť. Kompozitné materiály sa používajú hlavne v jednotkách, ktoré pracujú pri teplotách nad 1200 °C.
Uvedené výhody CCCM ich umožňujú úspešne použiť ako brzdové kotúče v leteckej výrobe, trysky raketových motorov, ochranné obloženia krídel raketoplánov, formy, tégliky, rotory turbín, vysokotlakové potrubia, pre klzné ložiská, tesnenia a v mnohých iné prípady. Za zmienku stojí najmä rastúci záujem o využitie kompozitných materiálov v elektrotechnike.
Existuje mnoho oblastí na použitie materiálov uhlík-uhlík, a to vďaka tomu, že CCCM má vysokú biokompatibilitu, odolnosť voči vplyvu biologického prostredia a absenciu toxicity. Okrem toho môžu byť tieto materiály použité v medicíne, pretože elektrická vodivosť CCCM je blízka ľudskej. V strojárskom priemysle sa uhlíkový kompozitný materiál používa ako nekovový samomazný materiál pre silne zaťažované klzné ložiská v trecích jednotkách. Za normálnych podmienok je materiál neutrálny voči atmosférickým vplyvom a agresívnemu pôsobeniu kyselín a zásad.
Príklady kompozitných materiálov uhlík-uhlík sú: tepelné jednotky a komponenty pre pece, v ktorých sa vykonáva tavenie, spekanie, praženie, rast monokryštálov a termostatovanie.
Kapitola 1. STAV PROBLÉMU S DOSTUPNOSŤOU A VÝVOJOM MATERIÁLOV PRE HERMETICKÉ SÚČASTI NA POUŽITIE V CHEMICKÝCH A CHEMICKO-METALURGICKÝCH ZARIADENIACH (LITERÁRNY PREHĽAD).
1.1. Vlastnosti známych materiálov používaných pri stavbe chemických a chemicko-metalurgických zariadení.
1.2. Analýza vlastností komponentov CCCM a technológie ich výroby vo vzťahu k vývoju hermetických štruktúr.
1.2.1. Typy uhlíkových matríc.
1.2.2. Vlastnosti uhlíkových vlákien.
1.2.3. Výstužné karbónové tkaniny a rámy na nich založené.
1.3. Spôsoby zavádzania uhlíkovej matrice do uhlíkovej klietky.
1.3.1. metóda v kvapalnej fáze.
1.3.2. Opakovaná impregnácia a karbonizácia pri nízkom tlaku.
1.3.3. Izotermická metóda v plynnej fáze.
1.3.4 Termogradientná metóda v plynnej fáze.
1.4. Niektoré vlastnosti domáceho CCCM.
1.5. Analýza výsledkov vyhľadávania informácií a vyjadrenie problému.
Kapitola 2
2.1. Metodika nastavenia experimentu a vytvorenia banky experimentálnych údajov.
2.2. Všeobecná forma kinetická rovnica pyrolýzy metánu za vzniku pyrouhľovodíka.
2.3. Kinetika pyrolýzy metánu v neprítomnosti vodíka.
2.4. Zovšeobecnená rovnica kinetiky pyrolýzy metánu.
2.5. Mechanizmus inhibičného účinku vodíka.
Kapitola 3
3.1. Podstata procesu.
3.2. Testovacie parametre saturácie rámov na prepichovanie tkaniva pyrolytickým uhlíkom v režime termogradientu pri atmosférickom tlaku.
3.3. Skúmanie stupňa nasýtenia pyrokarbónom jednotlivých fragmentov rámu na prepichnutie tkaniva na báze tkaniny Ural-TM-4.
3.4. Vývoj technologických metód na zníženie priepustnosti nosnej základne.
3.4.1. Zvýšenie nepriepustnosti štruktúr na prepichovanie tkaniva nasýtených v režime termogradientu s periodickým prekrývaním vákua.
3.4.2. Vývoj grafitu viazaného pyrokarbónom (trieda GSP).
3.4.3. Tvorba kombinovanej látky-práškovej bázy termogradientnou metódou.
3.5. Skúmanie štrukturálne citlivých vlastností CCCM pre nosné základné prvky.
Kapitola 4. VÝVOJ HLADKEJ PODvrstvy A TESNIACI PYROCARBONOVÝ NÁTER NA UHLÍKOVOM UHLÍKOVOM BÁZE.
4.1. Výber klzného náterového materiálu, jeho zloženie a spôsob aplikácie;
4.2. Model procesu viazania a princípy aproximácie.
4.3. Vytvorenie klznej podvrstvy a tesniaceho pyrouhlíkového povlaku izotermickou metódou.
4.4. Skúmanie tesnosti vrstvenej kompozície za normálnych podmienok a podmienok vysokoteplotného ohrevu a chladenia.
4.5. Odolnosť vyvinutých materiálov proti korózii v rôznych agresívnych prostrediach.
Kapitola 5
5.1. Úroveň rozvoja a technicko-ekonomické ukazovatele.
5.2. Vývoj technických riešení a princíp fragmentácie, ktorý zabezpečil výrobu ucelených zložitých štruktúr.
5.3. Implementácia vyvinutý technologických procesov a materiálov v domácich a zahraničných podnikoch.
Relevantnosť práce. Rozvoj vysokoteplotnej techniky, jadrová energetika, nové metalurgické procesy, kozmický výskum, priemyselná vysokoteplotná chémia žiaruvzdorných zliatin si vyžaduje prudké rozšírenie výroby a sortimentu vysokoteplotných konštrukčných materiálov, najbežnejších a najperspektívnejších z toho kompozitné materiály (CM).
Predpokladá sa, že rezervy na ďalšie ekonomicky účelné zvyšovanie pevnostných charakteristík kovov sú prakticky vyčerpané. Rýchly rast výroby kovových materiálov navyše vedie k vyčerpaniu najbohatších a najdostupnejších rudných ložísk, k rastu cien materiálov. Malo by sa vziať do úvahy, že procesy ťažby, prepravy a spracovania kovových rúd sú spojené s obrovskými nákladmi na materiál, ako aj so znečistením životného prostredia.
Vytváranie a aplikácia kompozitov je jedným z najefektívnejších a najsľubnejších spôsobov, ako zabezpečiť spoločenskú výrobu konštrukčnými materiálmi, riešiť problémy zlepšovania prevádzkových parametrov nových zariadení a šetriť zdroje.
Moderné kompozity kombinujú vysokú pevnosť s ľahkosťou a odolnosťou. Ich použitie v strojoch, zariadeniach, konštrukciách umožňuje znížiť hmotnosť konštrukcií o 25-50%, pracnosť ich výroby 1,5-3-krát, energetickú náročnosť výroby 8-10-krát a spotrebu materiálov 1,6-3,5 krát. Vďaka použitiu kompozitov je možné zvýšiť zdroje technických predmetov 1,5-30 krát, aby sa minimalizovali korózne straty, spotreba paliva atď. .
Vysokopevnostné kompozity a kompozity so špeciálnymi funkčnými vlastnosťami sa najčastejšie používajú na výrobu kritických produktov, predovšetkým v letectve, automobilovom a poľnohospodárskom strojárstve a elektronike. V obrovskom dopravnom lietadle Ruslan sa tak použilo asi 5,5 tony kompozitov, čo umožňuje ušetriť 15 ton kovu na každom produkte a znížiť náklady na palivo o 18 tisíc ton za obdobie prevádzky.Podľa odborníkov sa v blízkej budúcnosti podiel kompozitov v konštrukciách podzvukových lietadiel sa zvýši o 30-40% a nadzvukových - o 50%. V nadzvukovom lietadle majú byť krídla a perie vyrobené z uhlíkovo-uhlíkových kompozitov, prívody vzduchu a trysky motora z keramiky, podvozok je vyrobený z uhlíkovo-hliníkových a uhlíkovo-horčíkových materiálov.
Na kompozity sa spolieha aj svetový automobilový priemysel. Podiel kompozitov v automobiloch dosiahne v najbližších 10-15 rokoch 65 %. Kompozity budú použité na výrobu rámov, pružín, nárazníkov a trecích jednotiek, ktoré sa neboja korózie.
Mnoho vedeckých tímov vo vyspelých krajinách sveta pracuje na vytvorení kompozitov novej generácie s unikátnymi mechanickými a inými vlastnosťami, ktoré sa dokážu optimálne „prispôsobiť“ prevádzkovým podmienkam. V Japonsku sa im obrazne hovorí „intelektuálne kompozity“. U nás sa vytvára veľkovýroba nových kompozitných materiálov, intenzívne sa rozvíjajú špeciálne sekcie materiálovej vedy, zamerané na vypracovanie vedeckých odporúčaní pre návrh kompozitov s daným súborom vlastností.
Využitie kompozitov na báze uhlíkovo-uhlíkových kompozitných materiálov (CCCM), ktorých vývoj sa začal v 90. rokoch minulého storočia, má široké perspektívy v konštrukcii chemických aparátov, chemickej metalurgii, ako aj v rade príbuzných odvetví.
Kompozitné materiály s uhlíkovou matricou vystuženou uhlíkovými vláknami zaujímajú medzi modernými konštrukčnými materiálmi osobitné miesto. Objavili sa ako alternatíva ku kompozitným materiálom s polymérnou matricou s nízkou tepelnou odolnosťou.
CCCM sú odolné voči korózii vo všetkých agresívnych prostrediach, bez výnimky, v ktorých je odolný voči korózii grafit, keďže patria k rovnakému typu materiálov, a to uhlíkovému grafitu.
Navyše CCCM, ktorý má skôr turbostratickú než vrstvenú štruktúru, ako je grafit, by mal byť tiež stabilnejší v tých médiách, v ktorých grafit tvorí intersticiálne zlúčeniny.
CCCM majú výrazne väčšiu mechanickú pevnosť ako grafity a keramika, vrátane rázového zaťaženia, čo potvrdzujú aj naše štúdie. Majú najvyššiu špecifickú pevnosť zo všetkých známych materiálov.
Hlavnou nevýhodou CCCM je, že CCCM, podobne ako grafit, je priepustný pre kvapaliny a plyny. Je to spôsobené technológiou ich výroby. Z tohto dôvodu sa neimpregnované pálené uhlíkovo-grafitové materiály, ako aj grafity a uhlíkové kompozitné materiály (CCM) používajú v chemickom priemysle vo veľmi obmedzenej miere, pretože v aparátoch chemického a hutníckeho priemyslu je potrebná nepriepustnosť materiálu. Preto jednou z hlavných úloh, ktoré autor riešil v tejto štúdii, bolo experimentálne a teoretické zdôvodnenie metódy tesnenia materiálov a konštrukcií na báze CCCM.
V UNIIKM (Perm) za účasti autora boli vyvinuté UKM, ktoré sa vyznačujú vysokou pevnosťou vrátane nárazu a technológia výroby výrobkov z nich v súčasnosti umožňuje ich výrobu vo forme integrálnej bezšvovej štruktúry s priemer do 2200 mm a výška do 3500 mm. Donedávna sa UKM používali hlavne pri konštrukcii rakiet a lietadiel. Prvýkrát sme však ukázali, že túto triedu kompozitných materiálov s prídavnými tesniacimi vrstvami je možné úspešne použiť pre mierové odvetvia národného hospodárstva, predovšetkým pre hutnícky, polovodičový a chemicko-metalurgický priemysel, v konštrukciách pracujúcich v extrémnych podmienkach. vysokej teplote a chemickému vystaveniu agresívnym taveninám kovov a chemickému prostrediu.
Záujem o tieto štúdie bol nielen u nás, ale aj v zahraničí, predovšetkým vo Francúzsku. Výsledkom je, že už niekoľko rokov spolupracujeme s firmou Bpessha na vývoji technologických procesov na výrobu utesnených materiálov a štruktúr na báze CCCM. Po úspešnom ukončení týchto prác bol spoločnosti predaný hlavný patent na samostatnú organizáciu tejto výroby.
Technológia výroby produktov z CCCM zahŕňa vytvorenie rámu z uhlíkových vlákien alebo tkanín, po ktorom nasleduje vyplnenie pórov uhlíkovou matricou termochemickým spracovaním. Existuje niekoľko spôsobov utesnenia rámov uhlíkovou matricou: kvapalná fáza, plynná fáza a ich kombinácia.
Ako ukázali naše štúdie, s cieľom vyvinúť účinnú a nákladovo efektívnu technológiu výroby utesnených štruktúr sa metódy tvorby uhlíkovej matrice v plynnej fáze ukázali ako racionálnejšie, pretože obsahujú minimálne množstvo technologických zmien. Úlohou uhlíkovej matrice vo vystuženom kompozite je dodať výrobku požadovaný tvar a vytvoriť kompaktný materiál. Spojením výstužného plniva do jedného celku umožňuje matrica kompozitu vnímať rôzne druhy vonkajších zaťažení: ťah (ako v smere výstuže, tak aj kolmo na ňu), tlak, ohyb, šmyk a krútenie. Matrica sa zároveň podieľa na vytváraní únosnosti kompozitu a zabezpečuje prenos síl na vlákna.
Pre zabezpečenie nízkej priepustnosti podkladového materiálu sme zvolili jemne porézny rám na báze jemných sieťovaných tkanín typu Ural-TM-4/22 z low-tex uhlíkových vlákien. Táto voľba nie je náhodná, pretože materiály matrice a rámu majú dobrú kompatibilitu podľa takých základných kritérií, ako je koeficient lineárnej tepelnej rozťažnosti (CLTE), termodynamická stabilita pri prevádzke pri vysokých teplotách a fyzikálne a mechanické vlastnosti.
Na utesnenie uhlíkovo-uhlíkového materiálu konštrukcie sme navrhli plynový spôsob tesnenia pyrouhlíkom, ktorý umožňuje získať plynotesné produkty zhutnením materiálu a vytvorením pyrouhlíkového povlaku pri tepelnom rozklade uhľovodíkov (metán ). Prekrytie povrchových pórov na tomto materiáli sa uskutočnilo pomocou klznej kompozície s grafitovým jemne dispergovaným plnivom. Po ukončení procesu utesnenia (spojenia) sklzu pyrouhlíkom sa nastavil režim nanášania tesniaceho pyrouhlíkového povlaku. Pyrokarbónové povlaky sú úplne nepriepustné pre kvapaliny aj plyny vrátane hélia. Úlohou štúdie preto bolo študovať kinetické zákonitosti depozície pyrouhľovodíkov so stanovením zákona rastu usadenín pyrouhľovodíkov v závislosti od parametrov depozície.
V OAO UNIIESM (Perm) na základe vládnych konverzných programov na rozvoj CCCM s dvojakým použitím, referenčné podmienky z celého radu popredných podnikov hutníckeho, polovodičového a chemického priemyslu autor z uvedených pozícií realizoval súbor výskumných projektov pre vývoj a implementáciu technologických procesov na výrobu hermetických konštrukcií v národnom hospodárstve na báze tzv. uhlíkovo-uhlíkové kompozitné materiály zamerané na realizáciu jednej z najdôležitejších oblastí materiálovej vedy - vytváranie nových vysokoteplotných a tepelne odolných korózii odolných kompozitných materiálov.
Cieľom tejto práce je stanoviť kinetické zákonitosti ukladania heterogénnych pyrouhľovodíkov počas pyrolýzy metánu a na ich základe vyvinúť nové technologické postupy na získanie komplexných profilových hermetických štruktúr z nového CCCM s vysokými úžitkovými vlastnosťami.
Na dosiahnutie tohto cieľa sa uskutočnil výskum v nasledujúcich oblastiach:
1) experimentálne a teoretické zdôvodnenie kinetických zákonitostí heterogénneho procesu pyrolýzy metánu, berúc do úvahy inhibičný účinok vodíka a stanovenie kinetického zákona rastu pyrouhľovodíkov tak na vonkajšom obryse pevného povrchu, ako aj v objeme pórovité telo;
2) výber východiskového materiálu na formovanie hermetických štruktúr a stanovenie vplyvu parametrov zhutnenia kostry v režime termogradientu na fyzikálne a mechanické vlastnosti uhlíkovo-uhlíkového nosiča;
3) vývoj kompozície s uhlíkovou vrstvou, ktorá pozostáva z utesneného pyrouhlíkového obloženia na klznej podvrstve, a štúdia jeho prevádzkových charakteristík;
4) zavádzanie technologických procesov a materiálov v domácich a zahraničných podnikoch.
Výskumné metódy. V práci bol použitý komplex vedecko-technologických zariadení na saturáciu rámov termogradientnými a izotermickými metódami, dostupnými na báze OAO UNIIKM. Na štúdium získaných kompozícií boli použité nasledujúce metódy: RTG fázová analýza, optická a elektrónová mikroskopia (SEM, atď.), štandardné a neštandardné metódy.
Spoľahlivosť a platnosť výsledkov výskumu potvrdzujú:
Štatistiky mnohých experimentov (viac ako 600 pozorovaní) a ich dobrá konvergencia;
Blízke hodnoty kinetických a adsorpčných konštánt stanovené a uvedené v literatúre;
Moderné metódy výskumu a kontroly získaných materiálov po každom technologickom cykle;
Vysoký komplex fyzikálnych a mechanických vlastností získaných materiálov;
Experimentálne testovanie a prevádzka vyvinutých materiálov v konštrukciách pracujúcich v extrémnych podmienkach vysokoteplotných a chemických účinkov agresívnych tavenín kovov a chemického prostredia počas dlhého obdobia (viac ako 10 rokov).
Na obhajobu sa predkladajú tieto výsledky a ustanovenia:
Kinetické zákonitosti heterogénneho vyzrážania pyrouhľovodíka pri pyrolýze metánu, zohľadňujúce inhibičný účinok vodíka a odvodenie zovšeobecnených kinetických rovníc tak na vonkajšom povrchu, ako aj v objeme pórovitého telesa;
Výber počiatočnej jemne poréznej konštrukcie založenej na jemnej sieťovine šitom materiáli Ural-TM-4/22 z uhlíkových vlákien s nízkym obsahom tex, ktorý má dobrú kompatibilitu s pyrouhlíkovou matricou;
Experimentálne podložené režimové parametre procesu termogradientného zhutňovania iný druh uhlíkové rámy;
Zloženie klznej kompozície na zníženie povrchovej pórovitosti komplexného profilu predvalku uhlík-uhlík a teplotno-časové parametre na vytvorenie utesneného pyrouhlíkového obloženia na klznej podvrstve v izotermickom režime;
Indexy tesnosti (operability) vyvinutej kompozície;
Štrukturálne citlivé vlastnosti získaného CCCM, poskytujúce vysoký výkon v extrémnych podmienkach vysokej teploty a chemického vystavenia agresívnym médiám;
Konštrukčná a technologická podpora výrobných procesov zložitých a veľkorozmerných konštrukcií na báze CCCM a technicko-ekonomických ukazovateľov zo zavádzania vyvinutých technologických postupov a materiálov do praxe domácich a zahraničných podnikov.
Vedecká novinka výsledkov práce je nasledovná:
Experimentálne a teoreticky boli stanovené a podložené kinetické zákony rastu pyrouhľovodíkov ako na vonkajšom obryse pevného povrchu, tak aj v objeme pórovitého telesa;
Experimentálny vzťah medzi fyzikálnymi mechanické vlastnosti nosná základňa vyrobená z tkaniny Ural TM-4 s rýchlosťou pohybu pyrolýznej zóny a teplotným gradientom v tejto zóne, čo zaisťovalo vysoké úžitkové vlastnosti materiálu;
Stanovil sa vplyv zloženia sklzu na hustotu a pórovitosť sklzovej podvrstvy a modeloval sa proces jej nasýtenia pyrolytickým uhlíkom. Získané výsledky výpočtov sa líšia od experimentálnych údajov nie viac ako 5-8%;
Boli stanovené teplotno-časové parametre na vytvorenie utesneného pyrouhlíkového povlaku stĺpcovej štruktúry s hustotou blízkou teoretickej (2,0-2,15 g/cm).
Praktický význam:
V súvislosti s pilotnou výrobou bola vyvinutá funkčná schéma na výrobu komplexných profilových hermetických štruktúr na báze CCCM;
Navrhnuté nová trieda konštrukčných materiálov na báze CCCM, ktorý má vysokú pevnosť, tesnosť a odolnosť v extrémnych podmienkach vysokoteplotného a chemického vystavenia agresívnym médiám, čo umožňuje znížiť spotrebu drahých žiaruvzdorných ocelí 4-30 krát.
Implementácia výsledkov práce:
Do poloprevádzkovej výroby boli na báze OAO UNIIKM (Perm) zavedené vyvinuté technologické postupy zhutňovania rámov termogradientnou metódou a viazanie klznej podvrstvy s následnou tvorbou pyrouhlíkovej výstelky v jedinom technologickom cykle;
Stanovené technologické parametre a konštrukčné vlastnosti reakčných komôr, kvantitatívne odhady mechanických charakteristík, hrúbky klznej podvrstvy a pyrouhlíkovej výstelky boli zahrnuté v technologickej, projektovej a preberacej dokumentácii;
Po prvýkrát boli do praxe domácich priemyselných odvetví, akými sú metalurgický, chemický, polovodičový, ako aj niektoré zahraničné odvetvia, zavedené nové konštrukčné materiály na báze CCCM s vysokou pevnosťou, tesnosťou a odolnosťou v extrémnych podmienkach vysokých teplôt. a chemickému vystaveniu agresívnym médiám.
Schválenie práce. Materiály dizertačnej práce boli prezentované a prediskutované na nasledujúcich konferenciách a sympóziách:
1. medzinárodná konferencia „Uhlík: základné problémy vedy, vedy o materiáloch, technológie“ (Moskva, 2002);
Celoruské sympózium „Funkčné kompozitné materiály“ v rámci 9. Medzinárodná konferencia„Materiály so špeciálnymi vlastnosťami a magnetickými systémami“ (Suzdal, 2007);
11. celoruská vedecko-technická konferencia „Letecké inžinierstvo, špičkové technológie a inovácie“ (Perm, 2008);
Celoruské sympózium "Functional Composite Materials" v rámci 1. medzinárodnej konferencie "Functional Nano-Materials and High-Purity Substances" (Perm, 2009);
Celoruské sympózium „Functional Composite Materials“ v rámci 4. medzinárodnej konferencie „Functional Nano-Materials and High-Purity Substances“ (Suzdal, 2010);
International vedeckej a praktickej konferencii„Vedecká, technologická, surovinová podpora rozvoja výroby a spotreby organokremičitých zlúčenín (silikónov), ako aj poly- a monokryštalického kremíka v Rusku, SNŠ a vo svete“ (Moskva, 2011).
Za súbor prác o vývoji hermetických štruktúr na báze CCCM bol dizertátorovi udelený diplom laureáta medzinárodnej výstavy „Eureka-94.“ Vývoj dizertačnej práce bol demonštrovaný na medzinárodných výstavách v Bruseli, Maďarsko, Nemecko.
Publikácie. Hlavný obsah dizertačnej práce bol publikovaný v 48 vedeckých prácach, vrátane 38 patentov a vynálezov a 10 článkov, z ktorých 8 bolo publikovaných v recenzovaných časopisoch odporúčaných HAC.
Osobný prínos autora. Všetky experimentálne a teoretické štúdie a vyvinuté technické riešenia v laboratórnych aj poloprevádzkových podmienkach, ako aj spracovanie a analýzu získaných výsledkov osobne realizoval autor, ktorý spolu s vedúcim zvolil vedecký smer a určil ciele štúdie.
Štruktúra a rozsah dizertačnej práce. Dizertačná práca pozostáva z úvodu, 5 kapitol, všeobecných záverov, zoznamu literatúry a aplikácií. Práca je prezentovaná na 175 stranách vrátane 44 obrázkov, 24 tabuliek a 4 príloh. Zoznam použitej literatúry obsahuje 130 titulov.
VŠEOBECNÉ ZÁVERY O PRÁCI
1. Uskutočnilo sa experimentálne a teoretické zdôvodnenie kinetických zákonitostí heterogénneho procesu ukladania pyrouhľovodíkov metánovou pyrolýzou a stanovili sa kinetické zákony rastu pyrouhľovodíkov s prihliadnutím na inhibičný účinok vodíka na vonkajší obrys pevného povrchu. a v objeme pórovitého telesa.
2. Bol vybraný rám na báze tkaniny Ural-TM-4/22, ktorý je schopný utesniť podľa všetkých kritérií kompatibility. Experimentálne boli doložené technologické parametre procesu saturácie prepichovania textílií a iných typov konštrukcií termogradientnou metódou v zariadeniach s radiálne sa pohybujúcou pyrolýznou zónou, čo zaisťovalo vysokú produktivitu technologického procesu a maximálnu možnú hustotu CCCM.
Za účelom zvýšenia nepriepustnosti a zníženia technologického cyklu výroby nosnej základne sú dodržané hlavné zákonitosti perspektívnych technologických procesov s periodickým prekrývaním riedenia a určitým teplotným gradientom, ako aj tvorba kombinovanej látkovo-práškovej základne v termogradiente. režimu s hodnotením vlastností grafitovej zložky (GSP) boli experimentálne testované a stanovené.
3. Boli vyvinuté kritériá kvality získaných CCCM, ktoré zabezpečili ich výkonnosť v extrémnych podmienkach vysokej teploty a chemickej expozície agresívnym médiám. Stanovia sa intervalové charakteristiky hustoty a pórovitosti ložiskových základov z CCCM, ktoré majú vysoký komplex fyzikálnych a mechanických vlastností. Mechanické, fyzikálne a elektrické vlastnosti CCCM sa určujú za normálnych podmienok aj pri vysokých teplotách.
Bola vytvorená nová trieda konštrukčných materiálov typu "Uglecon", ktoré sú schopné tesniť a majú vysoké výkonové charakteristiky vo vysokoteplotnom agresívnom prostredí.
4. Podložené zloženie klznej kompozície na zníženie povrchovej pórovitosti nosnej bázy. Pomocou stanovených kinetických zákonitostí pre rast pyrouhlíkových usadenín bol vyvinutý a experimentálne potvrdený technologický princíp na predpovedanie režimových parametrov spájania rôznych hrúbok sklzových kompozícií s dosiahnutím požadovanej hustoty materiálu a produktivity procesu s ďalšou tvorbou utesneného pyrouhlíkové obloženie na povrchu v jedinom technologickom cykle.
5. Stanovené technologické parametre saturácie karbónových rámov v termogradientnom a izotermickom režime, zloženie sklzovej podvrstvy, parametre jej väzby a parametre pre tvorbu pyrouhlíkovej výstelky, ako aj kvantitatívne odhady mechanických charakteristík, hrúbka klznej podvrstvy a pyrokarbónového obloženia boli zahrnuté do technologickej, projektovej a preberacej dokumentácie.
6. Na základe termogradientnej metódy bol vyvinutý technologický princíp na fragmentáciu prírezov - rámov na samostatné konštrukčné časti s ich ďalšou integráciou pomocou pyrouhlíkovej matrice do jedinej konštrukcie s tesnosťou na spojoch.
Realizácia vyvinutých technologických postupov na výrobu nosného podkladu s tesniacim pyrouhlíkovým obložením na klznej podvrstve v poloprevádzkovej výrobe na báze UNIIKM (Perm) bola realizovaná realizáciou zmluvných dodávok.
Po prvýkrát boli do praxe domácich priemyselných odvetví, ako je hutnícky, chemický, polovodičový, ako aj niektorých zahraničných priemyselných odvetví (SOEKMA, Francúzsko), zavedené nové konštrukčné materiály na báze CCCM, ktoré majú vysokú pevnosť, tesnosť a odolnosť pod extrémne podmienky vysokej teploty a chemického vystavenia agresívnym médiám.
Technické riešenia, ktoré zabezpečili výrobu širokého spektra rôznych komplexných profilových hermetických štruktúr na báze CCCM, sú chránené 38 autorskými certifikátmi a patentmi na vynálezy, z ktorých 8 má široké uplatnenie v praxi.
Autor tak ukončil súbor výskumných projektov pre vývoj a implementáciu technologických procesov výroby utesnených konštrukcií na báze uhlíkovo-uhlíkových kompozitných materiálov v národnom hospodárstve zameraných na realizáciu jednej z najdôležitejších oblastí materiálovej vedy - tzv. vytváranie nových vysokoteplotných a tepelne odolných kompozitných materiálov odolných voči korózii.
1. Fialkov A.S. Uhlíkové materiály. -M.: Energia, 1979. 320 s.
2. Chalykh E.F. a kol Technológia uhlíkovo-grafitových materiálov / E.F. Chalykh, B.M. Zhitov, Yu.G. Korolev. M.: Nauka, 1981. - 44 s.
3. Termo-, tepelne odolné a nehorľavé vlákna / Ed. A.A. Konkin. -M.: Chémia, 1978.-424 s.
4. Fitzer E. Budúcnosť uhlíkovo-uhlíkových kompozitov // Carbon. 1987. Vol. 25, č. 2.-P. 13-190.
5. Schigt D. atď. Evolúcia uhlíkovo-uhlíkových kompozitov (ccc) / Donald Schigt, Kenneth E. Davidson, L. Scott Theibert // Sampl Journal. 1966. - roč. 32, č. 4. -P. 44-50.
6. Hager J.W. Uhlík-uhlík: Viacúčelový kompozit alebo exotický artefakt // Zborník z konferencie o spracovaní, výrobe a aplikácii pokročilého kompozitu z roku 1993. dlhá pláž, CA, 9. - 11. august 1993. - S. 33-38.
7. Brunetion E atď. Uhľovo-uhlíkové kompozity pripravené rýchlou zhusťovacou prózou: Syntéza a fyzikálno-chemický dátum / E. Brunetion, B. Narciy, A. Oberlin//Carbon.- 1977.-Zv. 35, č. 10-11.-P. 1593-1599.
8. J. Colecki. Rýchle zahusťovanie žiaruvzdorných kompozitov v parnej fáze // Mat. Sci and Eng. Rro. 1997. - S. 37-124.
9. Náuka o materiáloch a konštrukčné materiály / Pinchuk A.S. atď.; Ed. V.A. Belova. Minsk: Vyššia škola, 1989. - S. 357-359.
10. Sokolkin Yu.V. Technológia a dizajn uhlíkovo-uhlíkových kompozitov a štruktúr / Yu.V. Sokolkin, A.M. Votinov a ďalší - M .: Nauka, Phys. mat. lit., 1996. 239 s.
11. Kostikov V.I., Varenkov A.I. Kompozitné materiály pre extrémne vysoké teploty. -M.: Intermet. Strojárstvo, 2003. 574 s.
12. Bushuev V.M. Perspektívy použitia uhlíkových kompozitných materiálov pri výrobe chemických prístrojov / V.M. Bushuev, P.G. Udintsev, V.Yu. Chunajev, A.N. Ershova // Chemický priemysel. 2003. - T. 80. - č. 3.-S. 38-45.
13. Bushuev V.M. Blokovanie mikronečistôt v detailoch tepelných jednotiek od CCCM / V.M. Bushuev, A.G. Shchurik, P.I. Panov // Perspektívne materiály. -2011. v tlači.
14. Turín V.A. Objemové tesnenie grafitu pyrouhlíkom / V.A. Turín, V.E. Ivanov, V.F. Zelenský, M.G. Kolendovského // Zborník z 1. konferencie o pyrografite. M, 1963. - S. 267-272.
15. Turín V.A., Zelenskij V.F. Metódy v plynnej fáze na získavanie uhlíkových a uhlíkovo-uhlíkových materiálov // Problémy atómovej vedy a technológie / NSC KIPT. Charkov, 1999. - S. 13-31.
16. Jadrový grafit / S.E. Vyatkin, A.N. Deev, V.N. Nagorny a ďalší; vyd. S.E. Vyatkin. M.: Atomizdat, 1967. - 280. roky.
17. Ivakhin S.I. et al. Perspektívy rozvoja výroby chemických zariadení z keramiky // Hlavné smery dizajnu a výrobných technológií pre zariadenia s chemicky stabilnými a tepelne odolnými povlakmi. K .: UkrNIITI, 1970. - vydanie. 4. - S. 3-5.
18. Mironov I.M. a kol., O chemickej odolnosti konštrukčných keramických materiálov, v Hlavných pokynoch pre návrh a výrobu zariadení s chemicky odolnými a tepelne odolnými povlakmi. K .: UkrNIITI, 1970. - vydanie. 4. - S. 10-16:
19. Krylov V.N., Vilk Yu.N. Uhlovo-grafitové materiály a ich využitie v chemickom priemysle. M-JL: Chémia, 1965. - 145 s.
20. Dranovskii M. G. et al. Grafit a jeho aplikácia v priemysle // Materiály seminára. M .: Spoločnosť "Vedomosti" RSFSR, 1974. - S. 3-8.
21. Hooley J.S. Prípravky a rast kryštálov materiálov s čipkovanými štruktúrami reidel // dord recht. 1977. - Zv. 1. - S. 1-33.
22. Fialkov A.S. Pyrografit: Príprava, štruktúra, vlastnosti / A.S. Fialkov, A.I. Baver a kol. // Pokroky v chémii. 1965. - T. 34. - č.1. - S. 132153.
23. Vyatkin S.E. Získavanie a vlastnosti pyrografitu // Konštrukčné materiály na báze grafitu: Tematic. priemyslu. zborník prác č.1. -M: Hutníctvo, 1964.
24. Neshpar B.C. a iné Vlastnosti odrôd pyrografitu a niektoré oblasti ich použitia // Grafity a ich využitie v priemysle: materiály seminára. M: Spoločnosť "Vedomosti", 1974. - S. 133-134.
25. Volkov G.M. Štrukturálne vlastnosti uhlíkových sitalov // Grafity a ich využitie v priemysle: materiály seminára. M: spoločnosť "Vedomosti", 1974.-S. 135-136.
26. Volkov G.M., Kalugin V.I., Syskov K.I. Niektoré fyzikálne a chemické vlastnosti uhlíka-sitall // Dokl. 1968. - T. 183. - Číslo 2. - S. 396-397.
27. Rogailin M.I., Chalykh E.F. Príručka uhlíkovo-grafitových materiálov. Leningrad: Chémia, 1974. - 206 s.
28. Vlastnosti konštrukčných materiálov na báze uhlíka: Handbook / Ed. V.P. Sosedová. M.: Hutníctvo, 1975. - 335 s.
29. Getrik V.I., Kotosonova V.Ya. Mechanizmus vzniku zvyškových napätí v pyrolytickom grafite // Štruktúra a vlastnosti uhlíkových materiálov: Zborník vedeckých prác. -M.: Hutníctvo, 1987. S. 142-147.
30. Kurolenkin E.I. Na štruktúre sklovitého uhlíka / E.I. Kurolenkin, Yu.S. Lopatto, D.K. Khakimova, Yu.S. Virgiliev // Chémia pevných palív. 1982. - č. 4. - S. 111-118.
31. M. V. Sazonova, N. B. Bankovskaya a kol., Tepelne odolné ochranné povlaky pre uhlíkové materiály, Inorg. 1995. -T. 31.-№8.-S. 1072-1075.
32. Oberlin A. // Uhlík. 2002. - Zv. 40.-P. 7-24.
33. Khakimova D.K. Vlastnosti štruktúry pyrokarbónu / D.K. Khakimova, E.S. Šmaková, L.I. Knoroz // Konštrukčné materiály na báze uhlíka: Tematické. priemyslu. zbierka prác č. 13. -M: Hutníctvo, 1978. S. 88-92.
34. Emyashev A.V., Lisovskaya L.V. Vplyv technologických parametrov procesu na štruktúru pyrolytických materiálov // Konštrukčné materiály na báze uhlíka: Tematic. priemyslu. zborník prác č. 14. M .: Hutníctvo, 1979. - S. 23-26.
35. Kravchik A.E. Analýza štruktúry izotropného pyrouhľovodíka / A.E. Kravchik, A.C. Osmakov, R.G. Avarbe // Journal of Applied Chemistry. 1987. -№ 11.-S. 2484-2489.
36. Gorodetsky A.E. Štruktúra tenkých vrstiev pyrokarbónu získaného z metánu / A.E. Gorodetsky, P.A. Tesner a kol., DAN SSSR. 1972. - T. 203. - Číslo 6.-S. 1336-1338.
37. Vinogradova K.P. O možnosti získať materiál na pyrokarbónovom spojive na báze vysokoteplotných plnív // Chémia tuhého paliva. 1976. - č. 6. - S. 57-62.
38. Kobets L.P., Gundev G.M. Konštrukčné plasty /
39. Ed. E.B. Trostyanskaya. M.: Chémia, 1974. - 204 s.
40. Fialkov A.S. Štrukturálne zmeny počas tepelného spracovania polyakrylonitrilových vlákien / A.S. Fialkov, A.I. Baver, B.N. Smirnov, L.P. Semenov // DAN. 1967. - T. 173. - Číslo 1. - S. 147-148.
41. Khakimova D.K. Štúdium štruktúry uhlíkových vlákien a jej vplyv na pevnostné vlastnosti / D.K. Khakimova, V.G. Nagorny, E.K. Sterlyadkina a kol. // Fyzika a chémia spracovania materiálov. 1974. - č. 1. - S. 127-131.
42. Konkin A.A., Konnova N.F. Mechanické a fyzikálno-chemické vlastnosti uhlíkových vlákien // Journal of the All-Union Chemical Society. DI. Mendelejev. M: Chémia, 1978. - T. XXIII. - S. 259-264.
43. Využitie ropných a uhoľných dechtových smol na výrobu uhlíkových vlákien a kompozitných materiálov / Vedecko-výskumný ústav technického a ekonomického výskumu / Séria Chemický priemysel. vlákna M.: 1982.
44. Uhlíkové vlákna: TRANS. z japončiny. / vyd. S. Simamura. M.: Mir, 1987.-304 s.
45. Fitzer E. Uhlíkové vlákna a uhlíkové kompozity. M.: Mir, 1988. -210 s.
46. Bulanov I.M., Vorobei B.V. Technológia raketových a leteckých konštrukcií z kompozitných materiálov: učebnica. pre univerzity. M.: Vydavateľstvo MSTU im. Bauman, 1998. - 516 s.
47. Tolke A.M. Pevné tkané rámy pre priestorové vystuženie / A.M. Tolke, I.A. Repelis, M.P. Gailite, V.A. Kantsevich //
48. Mechanika kompozitných materiálov. Riga: 1986. - S. 795-799.
49. Demidová A.I. a kol., Výskum tepelných premien smolných polymérnych spojív // Chémia tuhých palív. 1989. - č. 1. - S. 8184.
50. Kolesnikov S.A. Štúdium kinetiky procesov zmršťovania uhlíkových plastov dilatometriou // Chémia tuhých palív. 1992. - č.2.-S. 116-123.
51. Fialkov A.S. Štrukturálne premeny polyméru na báze furfurylalkoholu počas riadenej pyrolýzy / A.S. Fialkov, E.F. Kolpikova a kol. // Chémia tuhých palív. 1990. - č. 2. - S. 136-141.
52. Lukina E.Yu. Skúmanie zmršťovania pri karbonizácii kompozícií so spojivom rôznych chemických štruktúr / E.Yu. Lukina, V.V. Kulakov, V.I. Ryazanov // Chémia pevných palív. 1977. - č. 4. - S. 7071.
53. Khmelnitsky P.A. Tepelná deštrukcia fenolformaldehydových spojív uhlíkovo-grafitových materiálov / P.A. Khmelnitsky, I.M. Lukašenko a ďalší // Chémia tuhých palív. 1989. - č. 2. - S. 120-126.
54. Kolesnikov S.A. Tvorba štruktúry objemu pórov karbonizovaného plastu na báze uhlíkových plnív // Chémia tuhých palív. 1993. - č. 1. - S. 79-87.
55. Kolesnikov S.A. a kol.: Vývoj štruktúry uhlíkových laminátových materiálov vo WTO // chémia tuhých palív. 1992. - č. 3. - S. 96-105.
56. McAllister L., Lakman U. Viacsmerné uhlíkovo-uhlíkové kompozity // Aplikovaná mechanika kompozitov: Sat. články / Ed. Yu.M. Tarnopoľského. M.: Mir, 1989. - S. 226-294.
57. Alester Z, Taverna A. Jn. // 17. národné sympózium SAMPE, Symposium a Exhil. Los Angeles, Colit, 1972. - str. 158.
58. Dačič B. Mapinkoiris SI. // Vysoké teploty Hihh Tlaky. - 1981. -Zv. 13, č. 2.-P. 185-192.
59. Tesner P.A. Tvorba uhlíka z uhľovodíkov v plynnej fáze. -M.: Chémia, 1972. 136s.
60. Tesner P.A. Kinetika tvorby pyrolytického uhlíka z metánu // Chémia tuhých palív. 1976. - č. 1. - S. 129-135.
61. Makarov K.I., Polyakova M.I., Solovyov E.A. // Plynárenský priemysel. 1963. - č.8. - S. 40-44.
62. Pechik V.K., Makarov K.I., Tesner P.A. // Chemický priemysel. 1964. - Číslo 11. - S. 808-812.
63. Tesner P.A. Kinetika tvorby uhlíka pri tepelnom rozklade metánu na uhlíkovom povrchu // Spracovanie a využitie zemného plynu / Zborník VNIIGAZ, 1969. č. 40/48. - S. 8-12.
64. Rogailin M.I. Objemové tesnenie umelých uhlíkovo-grafitových materiálov s pyrolytickým uhlíkom // Tepelná a oxidačná pyrolýza palív a vysokopolymérnych materiálov / Rogailin M.I. atď. M.: Nauka. - 1966. - S. 43-50.
65. Rogailin M.I. // Horľavé plyny: Zborník IGI. M.: Vydavateľstvo Akadémie vied ZSSR, 1962.-S. 54-63.
66. Rogailin M.I., Farberov I.L. Kinetika tepelného rozkladu metánu na povrchu pórov uhlíkových materiálov // Grafity a ich využitie v priemysle. M .: Spoločnosť "Vedomosti", 1974. - S. 27-29.
67. Rogailin M.I. Kinetika tvorby pyrokarbónu pri tepelnom rozklade metánu // Chémia tuhého paliva. 1977. - č. 4. - S. 64.
68. Kovalevsky H.H. K teórii objemového zhutňovania grafitu pyrolytickým pyrolytickým uhlíkom / H.H. Kovalevsky, M.I. Rogailin, I.L. Farberov // Chémia pevných palív. 1970. - č. 2. - S. 141-148.
69. Kovalevsky H.H. Dynamika objemovej pyrokompakcie uhlíkovo-grafitových materiálov pyrouhlíkom a výpočet parametrov procesu // Chémia tuhého paliva. 1975. - č. 2. - S. 98-105.
70. Rogailin M.I. Zmeny poréznej štruktúry a priepustnosti umelého grafitu pri objemovom zhutňovaní pyrolytickým uhlíkom / M.I. Rogaylin, H.H. Kovalevsky a kol. // Chémia pevných palív. 1972. -№4.-S. 132-139.
71. Rogailin M.I. Vplyv vodíka na rýchlosť tvorby pyrokarbónu pri tepelnom rozklade metánu / M.I. Rogailin, K.P. Vinogradova, I.L. Farberov // Chémia a spracovanie palív. M.: Nedra, 1972. - T. XXVIII. - problém. 2. - S. 141-145.
72. Vinokurov Yu.V. Inhibičný účinok vodíka na tvorbu pyrolytického uhlíka pri tepelnom rozklade benzénu / Yu.V. Vinokurov, M.I. Rogailin a kol. // Chémia tuhých palív. 1981. - č. 6. -S. 134-137.
73. Vinokurov Yu.V., Rogailin M.I. Hĺbka prieniku reakcie tvorby pyrolytického uhlíka do pórov uhlíkovo-grafitových materiálov // Chémia tuhého paliva. 1987. - č. 1. - S. 115-119.
74. Tesner P.A., Polyakov M.M., Mikheev S.S. // DAN ZSSR, 1972. T. 203. -S. 402.
75. Kolesnikov S.A. Objemové pyrokompakcie kompozícií vystužených komplexnými uhlíkovými vlnitými plnivami / S.A. Kolesnikov, V.I. Kostikov a kol., Chémia tuhých palív. 1993. - č. 1. -S. 66-73.
76. Kolesnikov S.A. Účinnosť zhutňovania uhlíka s variáciou poréznej štruktúry uhlíkových materiálov / S.A. Kolesnikov, G.M. Butyrin a kol. // Chémia pevných palív. 1990. - č. 5. - S. 127-131.
77. Marinkovic S., Dimitrievic S. // Carbon and Graphite Conf., 20-24 Sept. 1982.-L.: Soc. of Chem. Priemysel, 1982. S. 317-319.
78. Mosin A. M. K problematike vplyvu teplotného gradientu na zhutňovanie uhlíkovo-grafitových materiálov / A. M. Mosin, Yu.V. Nikolaev, M.I. Rogailin // Chémia pevných palív. 1967. - č. 4. - S. 107-109.
79. Vinogradov K.N. Uhlovo-grafitové materiály na báze pyrouhlíkového spojiva a jeho vlastnosti / K.N. Vinogradov, M.I. Rogailin a kol. // Chémia tuhých palív. 1974. - č. 6. - S. 153-158.
80. Gurin V.A. Štúdium tesnenia v plynnej fáze pyrouhlíkom porézne médiá metóda radiálne sa pohybujúcej pyrolýznej zóny / V.A. Gurin, N.V. Gurin, S.G. Fursov // Otázky atómovej vedy a techniky / NSC KIPT. -Charkov, 1999. S. 32-45.
81. Gurin N.V. Počítačový výpočet parametrov zhutnenia poréznych médií metódou pohyblivej pyrolýznej zóny / N.V. Gurin, V.A. Gurin, S.G. Fursov // Otázky atómovej vedy a techniky. 1998. - vydanie. 1 (67). -S. 79-81
82. Vaidyaraman S. atď. Spracovanie uhlík-uhlík nútenou infiltráciou chemických pár s gradientom Flowthermal s použitím propylénu / Sundar Vaidyaraman, W. Jack Lackey, Pradeep K. Agrawal a Miller // Carbon. 1996. - Vol. 34. - č. 3. -P. 347-362.
83. Kostikov V.I. Zvláštnosti konverzie vo vede o špeciálnych materiáloch // Konverzia v strojárstve. 1997. - č. 6. - S. 52-57.
84. Pas pre materiál "Grauris" P-27-6-88.
85. Pat. RF 2077116 zo dňa 26.10.1995. Materiál pre elektrický ohrievač / V.M. Bushuev.
86. Pat RF 2077120 zo dňa 26.10.1995. Elektrický ohrievač / V.M. Bushuev.
87. Fedosejev D.V. Heterogénna kryštalizácia z plynnej fázy / D.V. Fedosejev, R.K. Chužko, A.G. Grivcov. M.: Nauka, 1978. - 101 s.
88. Langmir J. // J. Amer. Chem. soc. 1916. - Sv. 38. - S. 2217.
89. Langmir J. // J. Amer. Chem. soc. 1932. - Sv. 54. - S. 2798.
90. Kiperman S. JI. Úvod do kinetiky heterogénnych katalytických reakcií. M.: Nauka, 1964. - 608 s.
91. Hinshelvud I. N. Kinetika reakcií plynov. -M., L.: ONTI, 1955,138s.
92. Shvab G.N. Katalýza z hľadiska chemickej kinetiky. M.: Goshimizdat, 1937. 257s.
93. Langmír J., Trans. farad. soc. 1921. - Vol.17. - S. 607.
94. Balandin A.A. // Pokroky v chémii. 1935. - Číslo 4. - S. 1004.
95. Balandin A.A. // Uch. aplikácie. Moskovská štátna univerzita. 1956. - Číslo 175. - S. 97.
96. Temkin M.I. // Journal of Physical Chemistry. 1957. - T. 31. - Č. 3. -S. 169.
97. Thon N., Taylor P. // J. Amer. Chem. soc. 1953. - Sv. 75.- S. 2747.
98. Selwood P. // J. Amer. Chem. soc. 1961. - Sv. 83. - S. 2853.
99. Temkin M.I. // Journal of Physical Chemistry. 1938. - T. 11. - Č. 169. - S. 197.
100. Rideal, E., Proc. Cambr. Phil. Soc.- 1938. Sv. 35. - S. 130.
101. Elei D. // Trans. farad. soc. 1948. - Sv. 44.-S.216.
102. Trepnel B.I. Chemisorpcia. M.: Izd-vo inostr. lit., 1958. - 327 s.
103. Deryagin B.V., Fedoseev D.V. Rast diamantu a grafitu z plynnej fázy. -M.: Nauka, 1977.-287s.
104. Zelenskyj V.F. Grafit GSP / V.F. Zelensky, V.A.Gurin a kol. // Problémy atómovej vedy a technológie / NSC KIPT. - Charkov, 1999. S. 67-78.
105. Gurin V.A. et al.. Vývoj teplo uvoľňujúcich a absorbujúcich prvkov monolitického typu na pyrouhlíkovej väzbe pre HTGR // Atomic Hydrogen Energy and Technology. M.: Energoizdat, 1983. - vydanie. 5. - S. 213-225.
106. Pat RF 2186727 z 1.8.2002. Spôsob výroby produktov od CCCM / V.M. Bushuev a ďalší.
107. Pat RF 2186725 z 24.01.2002. Spôsob výroby produktov od CCCM / V.M. Bushuev a ďalší.
108. Marmer E.N. et al.. Vplyv teploty spracovania na elektrický odpor uhlíkovo-uhlíkových kompozitných materiálov // Chemistry of Solid Fuel. 1988. - Číslo 1. - S. 93.
109. Pat. RF. 2006493 trieda. С04В38/39 zo dňa 19.01.93. Spôsob spracovania poréznych produktov / V.M. Bushuev a ďalší.
110. OD. Pat RF 2186726 triedy. С01В31/00 zo dňa 26.11.2001. Spôsob tesnenia výrobkov z uhlíkovo-grafitových materiálov / V.M. Bushuev a ďalší.
111. P. Wiggs. Grafit ako vysokoteplotný materiál. M.: Mir, 1964. -S. 309.
112. Delmon B. Kinetika heterogénnych reakcií: Per. od fr. / Ed.
113. B.V. Boldyrev. -M.: Mir, 1979.-S. 150-152, s. 160-163.
114. Wheeler E. Catalysis: Teória a metódy výskumu. M.: Izd-vo inostr. lit., 1955. - S. 370
115. Vargaftik I.B. Príručka o termofyzikálnych vlastnostiach plynov a kvapalín. M.: Fizmat, 1963. - 708 s.
116. Abrosimov B.V. Depozícia pyrokarbónu na uhlíkové vlákno / B.V. Abrosimov, A.S. Kondratová, V.A. Chernykh // Konštrukčné materiály na báze grafitu: Tematické. priemyslu zber diela č.3. M.: Met-ya, 1967. -1. C. 90-93.
117. Holman W.R., Huegel F.J. // Jbid. 1968.-zv. 5. - S. 127-148.
118. Fedosejev D.V. a iné / D.V. Fedoseev, B.B. Deryagin, V.P. Varnin a kol. // DAN SSSR. 1976. - Č. 228. - S. 371.
119. Kasatočkin V.I. / V A. Kasatočkin, V.V. Korshak, K.P. Kudryavtsev a kol. // DAN SSSR. 1974. - Č. 214. - S. 587.
120. Kasatochkin V.I., Shterenberg L.E., Kazakov M.K. a ďalšie // DAN SSSR. 1973.-№209.-S. 388.
121. Aust R. B., Drickamer H. G.//Veda. -1963.-Zv. 140,-s. 817.
122. Fedoseev D.V., Galimov E.M. a ďalšie // DAN SSSR. 1971. - Č. 201. -S. 1149.
123. Evlampiev A.I. Kontrola tesnosti / A.I. Evlampiev, E.D. Popov, S.G. Sazhin et al. // Nedeštruktívne testovanie: príručka / Ed. V.V. Klyuev. M.: Mashinostroenie, 2003. - zväzok 2, kniha 1. - S. 1-339.
124. Michai JI.JI. Odolnosť materiálov proti korózii v halogénoch a ich zlúčeninách. M.: Hutníctvo, 1988. - S. 6.
125. Bushuev V.M. Prvky tepelnej jednotky z CCCM pre inštaláciu na rast monokryštálov kremíka / V.M. Bushuev, A.G. Shchurik, P.I. Panov // Letecké inžinierstvo. Bulletin PSTU. 2011 v tlači.
126. Bushuev V.M. Skúsenosti s vývojom a výrobou páskových ohrievačov v tvare U od CCCM pre hydrogenačné konvertory SiCl4 / V.M. Bushuev, A.E. Kosmatenko, S.E. Butuzov // Perspektívne materiály: Júnový špeciál. uvoľniť. 2010. - S. 202-208.
Upozorňujeme, že vyššie uvedené vedecké texty sú zverejnené na posúdenie a získané prostredníctvom rozpoznávania textu pôvodnej dizertačnej práce (OCR). V tejto súvislosti môžu obsahovať chyby súvisiace s nedokonalosťou rozpoznávacích algoritmov. V súboroch PDF dizertačných prác a abstraktov, ktoré dodávame, sa takéto chyby nevyskytujú.
Uhlíkové vlákno- materiál pozostávajúci z tenkých nití s priemerom 3 až 15 mikrónov, tvorený prevažne atómami uhlíka. Atómy uhlíka sú spojené do mikroskopických kryštálov zarovnaných navzájom rovnobežne. Zarovnanie kryštálov dáva vláknu väčšiu pevnosť v ťahu. Uhlíkové vlákna sa vyznačujú vysokou pevnosťou v ťahu, nízkou špecifickou hmotnosťou, nízkou tepelná rozťažnosť a chemická inertnosť.
Výrobu uhlíkových vlákien v Rusku vykonáva spoločnosť Composite-Fiber LLC, ktorá je súčasťou holdingu Composite.
Uhlíkové vlákno je základom pre výrobu (alebo, uhlíkové vlákno, z "karbónu", "karbón" - uhlík). CFRP - polymérne kompozitné materiály z prepletených uhlíkových vlákien umiestnených v matrici polymérnych (zvyčajne epoxidových) živíc.
Uhlíkové kompozitné materiály sa vyznačujú vysokou pevnosťou, tuhosťou a nízkou hmotnosťou, často pevnejšie ako oceľ, no oveľa ľahšie.
Výroba polymérnych materiálov si vyžaduje značné skúsenosti. Na dosiahnutie akceptovaných štandardov kvality sú potrební nielen kvalifikovaní zamestnanci, ale aj zavedená technológia výroby produktov. Z týchto dôvodov sú všetky prezentované vysoko kvalitné, zaručujú dosiahnutie svojich cieľov a majú pravidelné pozitívne hodnotenia.
V katalógu si môžete vybrať produkty pre tieto oblasti:
náš výroba produktov z polymérnych materiálov vám môže poskytnúť množstvo produktov, ktoré potrebujete. Neexistujú žiadne obmedzenia množstva objednávky. Zároveň sa môžete spoľahnúť na plnú konzultáciu od profesionálov a rýchlu realizáciu úloh. Výroba polymérnych materiálov v Rusku, ktorú vykonávame, umožňuje nákup potrebných položiek katalógu prostredníctvom veľkoobchodného systému. Prezrite si náš katalóg a ak máte stále nejaké otázky - neodkladajte ich na neskôr a kontaktujte náš tím podpory hneď teraz.
Vysoké náklady na energiu sú hlavným dôvodom vysokých nákladov na uhlíkové vlákna. To je však viac než kompenzované pôsobivým výsledkom. Ani sa mi nechce veriť, že to všetko začalo „mäkkým a nadýchaným“ materiálom obsiahnutým v dosť prozaických veciach a známym nielen zamestnancom chemických laboratórií. Vo veľkej miere sa používajú biele vlákna - takzvané kopolyméry polyakrylonitrilu textilný priemysel. Sú súčasťou šatových, oblekových a úpletových látok, kobercov, plachiet, poťahových látok a filtračných materiálov. Inými slovami, kopolyméry polyakrylonitrilu sú prítomné všade tam, kde je na sprievodnom štítku uvedené akrylové vlákno. Niektoré z nich „slúžia“ ako plasty. Najbežnejším z nich je ABS plast. Ukazuje sa teda, že uhlíkové vlákna majú veľa „bratrancov“. Uhlíkové vlákno má pôsobivú pevnosť v pretrhnutí, ale jeho schopnosť „zasiahnuť“ pri ohýbaní „nás sklamala“. Preto je pre rovnakú pevnosť výrobkov vhodnejšie použiť tkaninu. Vlákna, organizované v určitom poradí, si navzájom „pomáhajú“ vyrovnať sa so záťažou. zbavený takejto výhody. Nastavením inej orientácie vrstiev je však možné dosiahnuť požadovanú pevnosť v požadovanom smere, výrazne ušetriť na hmote dielca a zbytočne nevystužovať nedôležité miesta.
Na výrobu karbónových dielov sa používa ako jednoduché karbónové vlákno s náhodne umiestnenými závitmi, ktoré vypĺňajú celý objem materiálu, tak aj tkanina (Carbon Fabric). Existujú desiatky druhov tkania. Najbežnejšie sú hladké, keprové, saténové. Niekedy je tkanie podmienené - stuha z pozdĺžne usporiadaných vlákien je „prilepená“ zriedkavými priečnymi stehmi, aby sa nerozpadla. Hustota tkaniny alebo merná hmotnosť, vyjadrená v g / m2, závisí okrem typu tkania aj od hrúbky vlákna, ktorá je určená počtom uhlíkových vlákien. Táto vlastnosť násobok tisíc. Takže skratka 1K znamená tisíc vlákien vo vlákne. Najčastejšie používané látky v motoristickom športe a tuningu sú Plain a Twill s hustotou 150-600 g/m2, s hrúbkou vlákna 1K, 2,5K, 3K, 6K, 12K a 24K. 12K tkanina je tiež široko používaná vo vojenských výrobkoch (telá a hlavy balistické rakety vrtuľové listy vrtuľníkov a ponoriek atď.), teda tam, kde sú diely vystavené obrovskému zaťaženiu.
Často od výrobcov tuningových dielov a v dôsledku toho aj od zákazníkov môžete počuť o „striebornom“ alebo „farebnom“ uhlíku. "Strieborná" alebo "hliníková" farba je len náter alebo kovový povlak na sklolamináte. A nazývať takýto materiál uhlíkom je nevhodné - ide o sklolaminát. Je potešiteľné, že v tejto oblasti sa stále objavujú nové nápady, ale čo sa týka vlastností, sklo sa nedá porovnávať s uhlíkovým uhlím. Farebné látky sa najčastejšie vyrábajú z kevlaru. Aj keď niektorí výrobcovia používajú sklolaminát aj tu; dokonca sa nachádza aj farbená viskóza a polyetylén. Pri pokuse o úsporu peňazí výmenou kevlaru za spomínané polymérové nite sa priľnavosť takéhoto produktu k živiciam zhoršuje. O akejkoľvek pevnosti výrobkov s takýmito tkaninami nemôže byť reč. Všimnite si, že "Kevlar", "Nomex" a "Tvaron" sú patentované americké značky polymérov. Ich vedecký názov je „aramidy“. Ide o príbuzných siloniek a kapronov. Rusko má svoje vlastné analógy - SVM, Rusar, Terlon SB a Armos. Ale ako sa často stáva, najviac „propagovaný“ názov – „Kevlar“ – sa stal pojmom pre všetky materiály.
Z hľadiska hmotnosti, pevnosti a teplotných vlastností je Kevlar horší ako uhlíkové vlákna. Schopnosť kevlaru vnímať ohybové zaťaženie je oveľa vyššia. S tým súvisí aj vznik hybridných tkanín, v ktorých je uhlík a kevlar obsiahnutý približne rovnako. Diely s uhlíkovo-aramidovými vláknami vnímajú elastickú deformáciu lepšie ako karbónové produkty. Majú však aj nevýhody. Karbón-kevlarový kompozit je menej odolný. Navyše je ťažší a „bojí sa“ vody. Aramidové vlákna sú náchylné na absorpciu vlhkosti, ktorá ovplyvňuje ich samotné aj väčšinu živíc. Nejde len o to, že „epoxid“ sa postupne ničí vodno-soľným roztokom na chemickej úrovni. Zahriatím a ochladením a celkovo v zime zamŕzaním voda mechanicky uvoľňuje materiál dielu zvnútra. A ešte dve poznámky. Kevlar pri vystavení ultrafialovému svetlu degraduje a lisovaný materiál v živici stráca niektoré zo svojich skvelých vlastností. Vysoká odolnosť proti roztrhnutiu a prerezaniu odlišuje kevlarovú tkaninu iba v "suchej" forme. Preto aramidy vykazujú svoje najlepšie vlastnosti v iných oblastiach. Rohože vyrobené z niekoľkých vrstiev takýchto materiálov sú hlavným komponentom na výrobu ľahkej nepriestrelnej vesty a iného bezpečnostného vybavenia. Kevlarové nite sa používajú na tkanie tenkých a pevných lodných lán, výrobu šnúr v pneumatikách, používajú sa v hnacích remeňoch mechanizmov a bezpečnostných pásoch na autách.
Neodolateľná túžba mať vo svojom aute čierno-čierne alebo čierno-farebné kockované diely viedla k objaveniu sa nezvyčajných karbónových náhrad. Tuningové salóny lepia drevené a plastové panely salónov uhlíkovou handričkou a plnia ich nespočetnými vrstvami laku, medzi ktorými je brúsenie. Každý detail si vyžaduje kilogramy materiálu a veľa pracovného času. Pred usilovnosťou majstrov sa možno skloniť, no takáto cesta nikam nevedie. "Dekorácie" vyrobené touto technikou niekedy nevydržia teplotné extrémy. Postupom času sa objaví sieť trhlín, detaily sa delaminujú. Nové diely sa kvôli veľkej hrúbke lakovej vrstvy nerady dostávajú na bežné miesta.
Technológia ich výroby je založená na vlastnostiach použitých živíc. Zlúčenín, ako sa živice správne nazývajú, je veľmi veľa. Najbežnejšie medzi výrobcami súprav zo sklenených vlákien sú polyesterové a epoxidová živica vytvrdzovaním za studena však nie sú schopné plne využiť výhody uhlíkových vlákien. Predovšetkým kvôli slabej sile týchto spojovacích zlúčenín. Ak k tomu pridáme slabú odolnosť voči zvýšeným teplotám a ultrafialovému žiareniu, potom je perspektíva použitia väčšiny bežných druhov veľmi pochybná. Karbónová kapota vyrobená z takýchto materiálov stihne počas jedného horúceho letného mesiaca zožltnúť a stratiť tvar. Mimochodom, „horúce“ živice tiež nemajú radi ultrafialové žiarenie, preto by z bezpečnostných dôvodov mali byť detaily pokryté aspoň priehľadným automobilovým lakom.
„Studené“ technológie na výrobu dielov s nízkou zodpovednosťou v malom meradle neumožňujú obrátiť sa, pretože majú aj ďalšie vážne nevýhody. Vákuové metódy výroby kompozitov (živica sa privádza do uzavretej matrice, z ktorej sa odčerpáva vzduch) vyžadujú zdĺhavú prípravu nástroja. Pridajte k tomu miešanie zložiek živice, ktoré „zabíja“ veľa času, čo tiež neprispieva k produktivite. O ručnom lepení sa vôbec neoplatí rozprávať. Spôsob striekania nasekaného vlákna do matrice neumožňuje použitie tkanín. V skutočnosti je všetko totožné s výrobou sklolaminátu. Len namiesto skla sa používa uhlie. Dokonca aj najautomatizovanejší z procesov, ktorý tiež spracováva vysokoteplotné živice (metóda navíjania), je vhodný pre úzky rozsah častí s uzavretou sekciou a vyžaduje veľmi drahé vybavenie.
Epoxidové živice vytvrdzované za tepla sú pevnejšie, čo umožňuje plne odhaliť ich kvality. Pri niektorých "horúcich" živiciach sa mechanizmus polymerizácie pri "izbovej" teplote spúšťa veľmi pomaly. Čo je v skutočnosti základom takzvanej prepregovej technológie, ktorá zahŕňa nanášanie hotovej živice na uhlíkové vlákno dlho pred procesom formovania. Pripravené materiály už len čakajú v skladoch.
V závislosti od značky živice trvá tekutý stav zvyčajne niekoľko hodín až niekoľko týždňov. Na predĺženie doby spracovateľnosti sa varené predimpregnované lamináty niekedy skladujú v chladiarňach. Niektoré značky živíc „žijú“ roky v hotovej podobe. Pred pridaním tvrdidla sa živice zahrejú na 50-60 C, potom sa po zmiešaní nanášajú na tkaninu pomocou špeciálneho zariadenia. Potom sa tkanina položí plastovou fóliou, zroluje a ochladí na 20–25 °C. V tejto forme bude materiál skladovaný veľmi dlho. Navyše vychladnutá živica vyschne a na povrchu látky sa stane takmer neviditeľnou. Priamo pri výrobe dielu sa zohriate spojivo stáva tekutým ako voda, vďaka čomu sa roztečie, vyplní celý objem pracovnej formy a urýchli sa proces polymerizácie.
Existuje veľké množstvo "horúcich" zlúčenín, z ktorých každá má svoj vlastný teplotný a časový režim vytvrdzovania. Vo všeobecnosti platí, že čím vyššie sú požadované hodnoty teplomera počas procesu formovania, tým pevnejší a odolnejší voči teplu je hotový výrobok. Na základe možností dostupného vybavenia a požadovaných vlastností finálneho produktu je možné vhodné živice nielen vybrať, ale aj vyrobiť na zákazku. Niektorí domáci výrobcovia ponúkajú takúto službu. Prirodzene, nie zadarmo.
Predimpregnované lamináty sú ideálne na výrobu uhlíka v autokláve. Pred naložením do pracovnej komory sa potrebné množstvo materiálu opatrne vloží do matrice a prikryje vákuovým vreckom na špeciálnych rozperách. Správne umiestnenie všetkých komponentov je veľmi dôležité, inak sa nedá vyhnúť nežiaducim otlakom. Neskôr už nebude možné chybu opraviť. Ak by sa príprava uskutočnila s tekutým spojivom, bola by to skutočná skúška pre nervový systém pracovníkov s nejasnými vyhliadkami na úspech operácie.
Procesy prebiehajúce vo vnútri inštalácie sú nenáročné. Vysoká teplota roztaví spojivo a „zapne“ polymerizáciu, vákuové vrecko odstráni vzduch a prebytočnú živicu a zvýšený tlak v komore pritlačí všetky vrstvy látky k matrici. A všetko sa deje súčasne.
Na jednej strane nejaké výhody. Sila je takmer maximálna, predmety najzložitejšieho tvaru sa vyrábajú na jednom „sedadle“. Samotné matrice nie sú monumentálne, pretože tlak je rozložený rovnomerne vo všetkých smeroch a nenarúša geometriu nástrojov. Čo znamená rýchlu prípravu nových projektov. Na druhej strane zahriatie na niekoľko stoviek stupňov a tlak, niekedy dosahujúci až 20 atm., robia z autoklávu veľmi drahú konštrukciu. V závislosti od jeho rozmerov sa ceny vybavenia pohybujú od niekoľkých stoviek tisíc až po niekoľko miliónov dolárov. Pridajte k tomu nemilosrdnú spotrebu elektriny a zložitosť výrobného cyklu. Výsledkom sú vysoké výrobné náklady. Existujú však drahšie a zložitejšie technológie, ktorých výsledky sú ešte pôsobivejšie. Kompozitné materiály uhlík-uhlík (CCCM) v brzdových kotúčoch na autách Formuly 1 a v tryskách raketových motorov odolávajú monštruóznemu namáhaniu pri prevádzkových teplotách až 3000 C. Tento typ uhlíka sa získava grafitizáciou termosetovej živice, ktorá je impregnovaná stlačené uhlíkové vlákno obrobku. Prevádzka je trochu podobná samotnej výrobe uhlíkových vlákien, len prebieha pri tlaku 100 atmosfér. Áno, veľký šport a vojensko-kozmická sféra činnosti sú schopné spotrebovať kusové veci za „vysoké“ ceny. Pre tuning a navyše aj pre sériovú výrobu je takýto pomer „cena-kvalita“ neprijateľný.
Ak sa nájde riešenie, vyzerá to tak jednoducho, že sa pýtate: „Čo vám bránilo vymyslieť to skôr? Nápad oddeliť procesy prebiehajúce v autokláve však vznikol až po rokoch výskumu. Takto sa objavila a začala naberať na obrátkach technológia, vďaka ktorej sa tvarovanie uhlíka za tepla podobalo lisovaniu. Predimpregnovaný laminát sa pripravuje vo forme sendviča. Po nanesení živice je tkanina obojstranne pokrytá buď polyetylénom alebo tepelne odolnejšou fóliou. "Sendvič" prechádza medzi dvoma hriadeľmi pritlačenými k sebe. Tým sa odstráni prebytočná živica a nežiaduci vzduch, v podstate rovnakým spôsobom ako pri žmýkaní bielizne v práčkach v 60. rokoch. Predimpregnovaný laminát je vtlačený do matrice razníkom, ktorý je upevnený závitovými spojmi. Ďalej je celá konštrukcia umiestnená vo vykurovacej skrini.
Tuningové firmy vyrábajú matrice z rovnakých uhlíkových vlákien a dokonca aj odolných značiek alabastru. Sadrové pracovné formy sú však krátkodobé, ale niekoľko produktov ich celkom dokáže. "Pokročilejšie" matrice sú vyrobené z kovu a niekedy sú vybavené vstavanými vykurovacími prvkami. V hromadnej výrobe sú optimálne. Mimochodom, metóda je vhodná aj pre niektoré časti uzavretého úseku. V tomto prípade zostáva ľahký penový razník vo vnútri hotového výrobku. Krídlo Mitsubishi Evo je príkladom tohto druhu.
Mechanické sily vás nútia premýšľať o sile nástrojov a systém matricového razníka vyžaduje buď 3D modelovanie, alebo modelára extra triedy. Napriek tomu je to stokrát lacnejšie ako autoklávová technológia.
Alexey Romanov redaktor časopisu "TUNING OF CARS"
