Włókno węglowe. Materiał kompozytowy węgiel-węgiel i sposób jego wytwarzania Materiały kompozytowe wzmacniane włóknem węglowym

Włókno węglowe- materiał składający się z cienkich nitek o średnicy od 3 do 15 mikronów, utworzonych głównie z atomów węgla. Atomy węgla ułożone są w mikroskopijne kryształy ułożone równolegle do siebie. Ułożenie kryształów zapewnia włóknu większą wytrzymałość na rozciąganie. Włókna węglowe charakteryzują się dużą wytrzymałością na rozciąganie, niskim ciężarem właściwym, niskim współczynnikiem rozszerzalności cieplnej i obojętnością chemiczną.

Produkcją włókna węglowego w Rosji zajmuje się firma Composite-Fiber LLC, część holdingu Composite.

Podstawą produkcji jest włókno węglowe (lub tworzywa węglowe, z „węgla”, „węgla” - węgla). Tworzywa sztuczne wzmocnione włóknem węglowym to polimerowe materiały kompozytowe wykonane z przeplatających się pasm włókien węglowych umieszczonych w matrycy z żywic polimerowych (zwykle epoksydowych).

Materiały kompozytowe węglowe charakteryzują się dużą wytrzymałością, sztywnością i niską wagą, często mocniejsze od stali, ale znacznie lżejsze.

Produkcja materiałów polimerowych

Nasza oferta

Produkcja materiałów polimerowych wymaga dużego doświadczenia. Aby osiągnąć przyjęte standardy jakości, potrzebni są nie tylko wykwalifikowani pracownicy, ale także ugruntowana technologia wytwarzania produktów. Z tych powodów wszystkie prezentowane produkty charakteryzują się wysoką jakością, gwarantują osiągnięcie założonych celów i regularnie posiadają pozytywne recenzje.

W katalogu możesz wybrać produkty z następujących dziedzin:

• Inżynieria mechaniczna;
• przemysł kosmiczny i lotniczy;
• Energia wiatrowa;
• budowa;
• Sprzęt sportowy;
• Powszechne dobra konsumpcyjne

Jest nasz produkcja wyrobów z materiałów polimerowych może dostarczyć Ci potrzebną ilość produktów. Nie ma ograniczeń co do wielkości zamówienia. Jednocześnie możesz liczyć na pełną konsultację ze strony profesjonalistów i terminową realizację powierzonych zadań. Prowadzona przez nas produkcja materiałów polimerowych w Rosji umożliwia zakup niezbędnych pozycji katalogowych poprzez system hurtowy. Zapoznaj się z naszym katalogiem, a jeśli nadal masz jakieś pytania, nie odkładaj ich na później i już teraz skontaktuj się z naszym działem wsparcia.

Dlaczego cena włókna węglowego jest tak wysoka?

Wysokie zużycie energii jest główną przyczyną wysokiego kosztu włókna węglowego. Jednak rekompensuje to imponujący wynik. Nie mogę nawet uwierzyć, że wszystko zaczęło się od „miękkiego i puszystego” materiału, zawartego w dość prozaicznych rzeczach i znanego nie tylko pracownikom laboratoriów chemicznych. Włókna białe – tzw. kopolimery poliakrylonitrylowe – znajdują szerokie zastosowanie w przemyśle tekstylnym. Wchodzą w skład tkanin odzieżowych, garniturowych i dzianin, dywanów, plandek, materiałów tapicerskich i filtracyjnych. Innymi słowy, kopolimery poliakrylonitrylowe są obecne wszędzie tam, gdzie na dołączonej etykiecie wspomniano o włóknie akrylowym. Część z nich „służy” jako tworzywa sztuczne. Najpopularniejszym z nich jest tworzywo ABS. Okazuje się więc, że węgiel ma wielu „kuzynów”. Nić węglowa ma imponującą wytrzymałość na rozciąganie, ale jej zdolność do „przyjmowania uderzeń” podczas zginania jest zawiedziona. Dlatego dla równej wytrzymałości produktów lepiej jest używać tkaniny. Włókna ułożone w określonej kolejności „pomagają” sobie nawzajem w radzeniu sobie z obciążeniem. brakuje tej przewagi. Jednakże określając różne orientacje warstw, można osiągnąć wymaganą wytrzymałość w pożądanym kierunku, znacznie zaoszczędzić na masie części i nie wzmacniać niepotrzebnie nieistotnych miejsc.

Co to jest tkanina węglowa?

Do produkcji części węglowych stosuje się zarówno proste włókno węglowe z losowo rozmieszczonymi nitkami, które wypełniają całą objętość materiału, jak i tkaninę (tkanina węglowa). Istnieją dziesiątki rodzajów tkania. Najpopularniejsze to zwykły, diagonalny, satynowy. Czasami tkanie jest warunkowe - wstęga ułożonych wzdłużnie włókien jest „chwytana” rzadkimi ściegami poprzecznymi, aby się nie rozpadła. Gęstość tkaniny, czyli ciężar właściwy, wyrażany w g/m2, oprócz rodzaju splotu, zależy od grubości włókna, która zależy od liczby włókien węglowych. Ta cecha jest wielokrotnością tysiąca. Zatem skrót 1K oznacza tysiąc nitek we włóknie. Najczęściej stosowanymi tkaninami w sportach motorowych i tuningu są tkaniny o splocie płóciennym i skośnym o gęstości 150–600 g/m2 i grubościach włókien 1K, 2,5K, 3K, 6K, 12K i 24K. Tkanina 12K znajduje również szerokie zastosowanie w wyrobach wojskowych (kadłuby i głowice rakiet balistycznych, łopaty wirników helikopterów i łodzi podwodnych itp.), czyli tam, gdzie części poddawane są kolosalnym obciążeniom.

Czy jest kolorowy węgiel? Czy istnieje żółty węgiel?

Często można usłyszeć od producentów części tuningowych, a co za tym idzie, od klientów o „srebrnym” lub „kolorowym” węglu. Kolor „srebrny” lub „aluminiowy” to po prostu farba lub powłoka metaliczna na włóknie szklanym. I niewłaściwe jest nazywanie takiego materiału węglem - jest to włókno szklane. To satysfakcjonujące, że wciąż pojawiają się nowe pomysły w tej dziedzinie, ale właściwości szkła nie mogą być porównywane z węglem węglowym. Tkaniny kolorowe najczęściej wykonuje się z kevlaru. Chociaż niektórzy producenci również tutaj używają włókna szklanego; Istnieją nawet barwiona wiskoza i polietylen. Próbując zaoszczędzić pieniądze, zastępując Kevlar wspomnianymi nićmi polimerowymi, przyczepność takiego produktu do żywic pogarsza się. Nie może być mowy o trwałości produktów z takich tkanin. Należy pamiętać, że Kevlar, Nomex i Tvaron są zastrzeżonymi amerykańskimi markami polimerów. Ich naukowa nazwa to „aramidy”. Są to krewni nylonów i nylonów. Rosja ma swoje własne odpowiedniki - SVM, Rusar, Terlon SB i Armos. Ale, jak to często bywa, najbardziej „promowana” nazwa – „Kevlar” – stała się powszechnie znaną nazwą wszystkich materiałów.

Co to jest Kevlar i jakie ma właściwości?

Pod względem masy, wytrzymałości i właściwości temperaturowych Kevlar jest gorszy od włókna węglowego. Zdolność Kevlaru do wytrzymywania obciążeń zginających jest znacznie wyższa. Właśnie dlatego wiąże się to z pojawieniem się tkanin hybrydowych, w których węgiel i kevlar są zawarte w przybliżeniu po równo. Części z włóknami węglowo-aramidowymi lepiej odbierają odkształcenia elastyczne niż produkty węglowe. Mają jednak także wady. Kompozyt węglowo-kevlarowy jest mniej trwały. Poza tym jest cięższy i „boi się” wody. Włókna aramidowe mają tendencję do pochłaniania wilgoci, co wpływa zarówno na nie same, jak i na większość żywic. Nie chodzi tylko o to, że „epoksyd” jest stopniowo niszczony przez roztwór wody i soli na poziomie chemicznym. Ogrzewając i chłodząc, a w zimie ogólnie zamarzając, woda mechanicznie rozluźnia materiał części od wewnątrz. I jeszcze dwa komentarze. Kevlar ulega degradacji pod wpływem światła ultrafioletowego, a uformowany w żywicy materiał traci część swoich wspaniałych właściwości. Wysoka odporność na rozdarcia i przecięcia wyróżnia tkaninę Kevlar tylko w jej „suchej” postaci. Dlatego aramidy wykazują swoje najlepsze właściwości w innych obszarach. Maty uszyte z kilku warstw takich materiałów są głównym komponentem do produkcji lekkich kamizelek kuloodpornych i innego wyposażenia ochronnego. Nici kevlarowe służą do tkania cienkich i mocnych lin okrętowych, wytwarzania kordów w oponach oraz stosowania ich w pasach napędowych maszyn i pasach bezpieczeństwa w samochodach.

Czy można pokryć część włóknem węglowym?

Nieodparta chęć posiadania w samochodzie części w czarno-czarną lub czarno-kolorową kratkę doprowadziła do pojawienia się dziwacznych zamienników włókna węglowego. Warsztaty tuningowe pokrywają drewniane i plastikowe panele wewnętrzne tkaniną węglową i wypełniają je niezliczonymi warstwami lakieru, szlifując pomiędzy nimi. Każda część wymaga kilogramów materiałów i mnóstwa czasu pracy. Można podziwiać ciężką pracę mistrzów, ale ta droga prowadzi donikąd. „Biżuteria” wykonana tą techniką czasami nie jest w stanie wytrzymać zmian temperatury. Z biegiem czasu pojawia się sieć pęknięć, a części rozwarstwiają się. Nowe części niechętnie mieszczą się na swoich pierwotnych miejscach ze względu na dużą grubość warstwy lakieru.

Jak powstają produkty węglowe i/lub kompozytowe?

Technologia ich produkcji opiera się na charakterystyce zastosowanych żywic. Istnieje wiele związków, jak prawidłowo nazywa się żywice. Najpopularniejsze żywice poliestrowe i epoksydowe utwardzane na zimno wśród producentów zestawów karoserii z włókna szklanego, jednak nie są one w stanie w pełni ujawnić wszystkich zalet włókna węglowego. Przede wszystkim ze względu na słabą wytrzymałość tych związków wiążących. Jeśli dodamy do tego słabą odporność na podwyższone temperatury i promienie ultrafioletowe, perspektywy stosowania najpopularniejszych marek są bardzo wątpliwe. Kaptur węglowy wykonany z takich materiałów będzie miał czas na żółknięcie i utratę kształtu w ciągu jednego gorącego letniego miesiąca. Nawiasem mówiąc, „gorące” żywice nie lubią promieniowania ultrafioletowego, dlatego dla bezpieczeństwa części należy pokryć co najmniej przezroczystym lakierem samochodowym.

Mieszanki utwardzane na zimno.

„Zimne” technologie produkcji na małą skalę części o niskim znaczeniu krytycznym nie pozwalają na rozwój, ponieważ mają również inne poważne wady. Próżniowe metody wytwarzania kompozytów (żywica wprowadzana jest do zamkniętej matrycy, z której usuwane jest powietrze) wymagają długotrwałego przygotowania sprzętu. Dodajmy do tego mieszanie składników żywicy, które „zabija” mnóstwo czasu, co też nie wpływa na produktywność. O klejeniu ręcznym w ogóle nie ma sensu mówić. Metoda natryskiwania posiekanego włókna na matrycę nie pozwala na zastosowanie tkanin. Właściwie wszystko jest identyczne z produkcją włókna szklanego. Tyle, że zamiast szkła używa się węgla. Nawet najbardziej zautomatyzowany z procesów, który pozwala również na pracę z żywicami wysokotemperaturowymi (metoda nawijania), nadaje się do wąskiej listy części o przekroju zamkniętym i wymaga bardzo drogiego sprzętu.

Żywice epoksydowe utwardzane na gorąco są mocniejsze, co pozwala na pełne ujawnienie ich właściwości. W przypadku niektórych „gorących” żywic mechanizm polimeryzacji w temperaturze „pokojowej” rozpoczyna się bardzo powoli. Na tym opiera się tzw. technologia prepregów, która polega na nałożeniu gotowej żywicy na włókno węglowe na długo przed procesem formowania. Przygotowane materiały po prostu czekają w magazynach.

W zależności od marki żywicy czas stanu ciekłego trwa zwykle od kilku godzin do kilku tygodni. Aby przedłużyć żywotność, przygotowane prepregi czasami przechowuje się w lodówkach. Niektóre marki żywic „żyją” latami w gotowej formie. Przed dodaniem utwardzacza żywice podgrzewa się do temperatury 50–60 C, po czym po wymieszaniu nakłada się je na tkaninę za pomocą specjalnego sprzętu. Następnie tkaninę wyściela się folią, zwija i schładza do 20–25 C. W tej formie materiał będzie przechowywany przez bardzo długi czas. Ponadto schłodzona żywica wysycha i staje się praktycznie niewidoczna na powierzchni tkaniny. Bezpośrednio podczas produkcji części podgrzane spoiwo staje się płynne jak woda, dzięki czemu rozprzestrzenia się, wypełniając całą objętość formy roboczej i przyspiesza proces polimeryzacji.

Mieszanki utwardzające się na gorąco.

Istnieje wiele różnych „gorących” mieszanek, każdy z własnym reżimem temperatury i czasu utwardzania. Zwykle im wyższy odczyt termometru wymagany podczas procesu formowania, tym mocniejszy i bardziej odporny na ciepło gotowy produkt. Bazując na możliwościach dostępnego sprzętu oraz wymaganych charakterystykach produktu finalnego, można nie tylko dobrać odpowiednie żywice, ale także wykonać je na zamówienie. Niektórzy krajowi producenci oferują tę usługę. Naturalnie, nie za darmo.

Prepregi idealnie nadają się do produkcji węgla w autoklawach. Przed załadowaniem do komory roboczej wymaganą ilość materiału ostrożnie umieszcza się w matrycy i przykrywa workiem próżniowym na specjalnych przekładkach. Prawidłowe ustawienie wszystkich elementów jest bardzo ważne, w przeciwnym razie nie da się uniknąć niepożądanych fałd powstałych pod ciśnieniem. Późniejsza korekta błędu będzie niemożliwa. Gdyby preparat prowadzono z użyciem płynnego spoiwa, stałby się on prawdziwym sprawdzianem dla układu nerwowego robotników z niejasnymi perspektywami powodzenia operacji.

Procesy zachodzące wewnątrz instalacji są proste. Wysoka temperatura topi spoiwo i „włącza” polimeryzację, worek próżniowy usuwa powietrze i nadmiar żywicy, a zwiększone ciśnienie w komorze dociska wszystkie warstwy tkaniny do matrycy. I wszystko dzieje się w tym samym czasie.

Z jednej strony są pewne zalety. Siła tego jest prawie maksymalna; przedmioty o najbardziej skomplikowanym kształcie powstają podczas jednego „siedzenia”. Same matryce nie są monumentalne, ponieważ nacisk rozkłada się równomiernie we wszystkich kierunkach i nie narusza geometrii sprzętu. A to oznacza szybkie przygotowanie nowych projektów. Z drugiej strony nagrzanie do kilkuset stopni i ciśnienie dochodzące czasami do 20 atm. sprawiają, że autoklaw jest konstrukcją bardzo kosztowną. W zależności od gabarytów ceny sprzętu wahają się od kilkuset tysięcy do kilku milionów dolarów. Dodajmy do tego bezlitosne zużycie prądu i złożoność cyklu produkcyjnego. Efektem są wysokie koszty produkcji. Istnieją jednak technologie droższe i bardziej złożone, których rezultaty są jeszcze bardziej imponujące. Materiały kompozytowe węgiel-węgiel (CCM) w tarczach hamulcowych samochodów Formuły 1 oraz w dyszach silników rakietowych wytrzymują ogromne obciążenia w temperaturach roboczych sięgających 3000 C. Ten rodzaj węgla wytwarzany jest poprzez grafityzację żywicy termoutwardzalnej, która jest impregnowana sprasowanym włóknem węglowym pusty. Operacja przypomina nieco produkcję samego włókna węglowego, tyle że zachodzi pod ciśnieniem 100 atmosfer. Tak, wielki sport i sektor wojskowo-kosmiczny są w stanie konsumować unikalne przedmioty po zawyżonych cenach. W przypadku tuningu, a zwłaszcza produkcji seryjnej, taki stosunek „ceny do jakości” jest niedopuszczalny.

Jeśli rozwiązanie zostanie znalezione, wydaje się ono tak proste, że zastanawiasz się: „Co powstrzymywało Cię od wcześniejszego zastanowienia się nad tym?” Jednak pomysł rozdzielenia procesów zachodzących w autoklawie zrodził się po latach badań. Tak pojawiła się i zaczęła nabierać rozpędu technologia, dzięki której formowanie węgla na gorąco przypomina tłoczenie. Prepreg przygotowywany jest w formie kanapki. Po nałożeniu żywicy tkanina jest pokryta obustronnie polietylenem lub folią bardziej odporną na ciepło. „Kanapka” przepuszczana jest pomiędzy dwoma dociśniętymi do siebie wałami. Jednocześnie usuwany jest nadmiar żywicy i niepożądane powietrze, podobnie jak podczas wirowania ubrań w pralkach z lat 60. XX wieku. Prepreg wciskany jest w matrycę za pomocą stempla, który mocowany jest za pomocą połączeń gwintowych. Następnie całą konstrukcję umieszcza się w szafie grzewczej.

Firmy tuningowe produkują matryce z tego samego włókna węglowego, a nawet trwałych marek alabastru. Formy do obróbki gipsu są jednak krótkotrwałe, ale są w stanie wyprodukować kilka produktów. Bardziej „zaawansowane” matryce są wykonane z metalu i czasami wyposażone są w wbudowane elementy grzejne. Są optymalne do produkcji masowej. Nawiasem mówiąc, metoda ta jest również odpowiednia dla niektórych części sekcji zamkniętej. W tym przypadku wewnątrz gotowego produktu pozostaje lekki stempel piankowy. Przykładem tego rodzaju jest skrzydło Mitsubishi Evo.

Siły mechaniczne każą myśleć o wytrzymałości sprzętu, a system matrix-punch wymaga albo modelowania 3D, albo najwyższej klasy modelarza. Ale to wciąż setki razy tańsze niż technologia autoklawowa.

Aleksiej Romanow, redaktor magazynu „TUNING Cars”

Matryca węglowa w kompozycie spełnia kilka głównych funkcji: przenosi siły na włókna wzmacniające, chroni je przed fizycznym i chemicznym działaniem środowiska oraz izoluje włókna od siebie, zapobiegając ich wzajemnemu przemieszczaniu się. Sposób kształtowania osnowy węglowej decyduje o jej stanie strukturalno-fazowym i właściwościach, a także znacząco wpływa na jakość kompozytu jako całości.

Zgodnie z tym produkowane są kompozyty węglowe, takie jak węgiel szklisty i materiał węgiel-węgiel – CCCM. Do tych celów najczęściej stosuje się dwie główne metody: karbonizację preformy włókna węglowego i osadzanie pirowęglanu z fazy gazowej w porach matrycy włókna węglowego.

Węgiel szklisty powstaje podczas karbonizacji przedmiotu obrabianego zawierającego powszechnie stosowaną żywicę fenolowo-formaldehydową jako spoiwo. Po podgrzaniu do temperatury 800...1000 0 C w środowisku nieutleniającym zachodzą procesy termicznego rozkładu i rekombinacji powstałych rodników, a następnie polikondensacyjne utwardzanie powstałej matrycy koksowniczej. Uwolnione w tym przypadku gazy powodują powstawanie w nim porowatych, szklistych i krystalicznych warstw węgla. Dzięki temu węgiel szklisty ma niski poziom właściwości fizyko-mechanicznych: gęstość 1650 kg/m 3, wytrzymałość na zginanie – 132 MPa, moduł sprężystości – 14,7 GPa, które decydują o zastosowaniu węgla szklistego głównie do produkcji wyrobów termoizolacyjnych.

Kompozyt UUKM wytwarzany jest metodą karbonizacji preformy z włókna węglowego i zastosowaniem dodatkowych cykli impregnacji spoiwem, a także karbonizacji powstałej matrycy koksowej poprzez ogrzewanie jej pod ciśnieniem w autoklawie. W ten sposób osiąga się wzrost gęstości i wytrzymałości powstałego kompozytu. W tym samym celu, oprócz żywicy fenolowo-formaldehydowej, do produkcji półfabrykatów z tworzyw sztucznych z włókna węglowego stosuje się związki furanu, poliimidy, polifenyleny i smoły.

Metoda osadzania pirowęglowodoru z fazy gazowej polega na dyfuzji i termicznym rozkładzie gazowego węglowodoru w porach przedmiotu obrabianego wykonanego z włókien węglowodorowych. Pirowęglan powstaje i osadza się na włóknach w wysokiej temperaturze w próżni lub pod ciśnieniem w piecu elektrycznym, tworząc węglowy materiał kompozytowy.

W zależności od wymagań dotyczących jakości kompozytu stosuje się kilka metod technologicznych osadzania węgla pirolitycznego.

Osadzanie izotermiczne odbywa się w równomiernie nagrzanej komorze pieca indukcyjnego w temperaturze 900...1200 0 C pod ciśnieniem 0,13...2 MPa przez długi czas. W takim przypadku wskazane jest uzyskanie cienkościennych półfabrykatów, ponieważ węgiel wypełnia głównie pory przypowierzchniowe przedmiotu obrabianego.

Osadzanie termodynamiczne polega na jednostronnym nagrzaniu przedmiotu obrabianego poprzez umieszczenie go na specjalnej grzałce i doprowadzenie gazu węglowodorowego do jego mniej nagrzanej strony. W tych warunkach osadzanie termiczne rozpoczyna się od cieplejszej strony przedmiotu obrabianego i rozprzestrzenia się ze zwiększoną prędkością w całej jego objętości. Proces ten pozwala uzyskać dużą gęstość i wytrzymałość kompozytu, co pozwala na uzyskanie detali o zwiększonej grubości.

Połączone macierze Kompozyty węglowe powstają w wyniku nasycenia zwęglonego tworzywa sztucznego z włókna węglowego węglem pirolitycznym w warunkach izotermicznych. To wprowadzenie węgla pirolitycznego do materiału koksowego przedmiotu obrabianego poprawia jego gęstość poprzez zmniejszenie porowatości otwartej i zwiększa właściwości termomechaniczne. W tym przypadku najpierw na ramę z włókna węglowego nakłada się węgiel pirolityczny w temperaturze 1100 0 C, następnie impregnuje się go spoiwem polimerowym i formuje się półfabrykat z włókna węglowego. Następnie poddaje się go karbonizacji w temperaturze 1000 0 C, po czym następuje zagęszczenie porowatej matrycy koksowej poprzez osadzanie węgla pirolitycznego.

Właściwości kompozytów węglowych przewyższają właściwości grafitu i tworzyw sztucznych wzmacnianych włóknami węglowymi, zwłaszcza pod względem wytrzymałości na zginanie ( σ i do 640 MPa). Ich wytrzymałość na rozciąganie wynosi 190 MPa, moduł sprężystości 2,8 GPa, a właściwości te zostają zachowane w nieutleniających warunkach ogrzewania do temperatury 2200 o C. Mają także wysoką odporność na szok termiczny, niskie wartości współczynnika rozszerzalności cieplnej i współczynnik przewodzenia ciepła, wysoka odporność chemiczna i tarcie. Zastosowanie kompozytów węglowych wiąże się z produkcją części konstrukcji termoochronnych, silnie obciążonych urządzeń hamulcowych, inżynierią chemiczną i energetyką jądrową. Kompozyty węglowe ze względu na ulepszone właściwości biokompatybilności znajdują zastosowanie w technologii biomedycznej.

WYNALAZEK
Patent Federacji Rosyjskiej RU2556673

Dziedzina działalności (technologia), której dotyczy opisywany wynalazek

Wynalazek dotyczy materiałów kompozytowych, w szczególności materiałów kompozytowych na bazie węgla oraz sposobów ich wytwarzania i może być stosowany w przemyśle rakietowym, kosmicznym i lotniczym, obróbce metali, obróbce kamienia naturalnego i innych materiałów twardych i supertwardych.

DOKŁADNY OPIS WYNALAZKU

Materiały kompozytowe to materiały wieloskładnikowe składające się z polimeru, metalu, węgla, ceramiki lub innego podłoża (osnowy, spoiwa), wzmocnione wypełniaczami z włókien, wiskerów, drobnych cząstek itp. Dobierając skład i właściwości napełniacza i osnowy, ich stosunek, Orientacja napełniacza umożliwia uzyskanie materiałów o wymaganej kombinacji właściwości użytkowych i technologicznych.

Ze względu na strukturę napełniacza materiały kompozytowe dzielą się na włókniste (wzmocnione włóknami i wąsami), warstwowe (wzmocnione foliami, płytami, wypełniaczami warstwowymi) oraz wzmocnione dyspersyjnie lub wzmocnione dyspersją (wypełniaczem w postaci drobnych cząstek). ). Osnowa w materiałach kompozytowych zapewnia trwałość materiału, przenoszenie i rozkład naprężeń w wypełniaczu oraz decyduje o odporności na ciepło, wilgoć, ogień i chemikalia.

Ze względu na charakter materiału osnowy wyróżnia się kompozyty polimerowe, metalowe, węglowe, ceramiczne i inne.

Najpowszechniej stosowane w technologii są materiały kompozytowe wzmacniane włóknami ciągłymi o dużej wytrzymałości i wysokim module sprężystości. Wśród nich szczególnie interesujące są:

Materiały kompozytowe na bazie węgla wzmocnionego włóknami węglowymi (materiały węglowo-węglowe);

Rnrnrn rnrnrn rnrnrn

Materiały kompozytowe na bazie ceramiki wzmocnionej węglem, węglikiem krzemu i innymi włóknami żaroodpornymi.

Wiele uwagi poświęca się tworzeniu nowych materiałów kompozytowych zarówno w oparciu o znane, jak i w oparciu o stosunkowo niedawno odkryte nowe modyfikacje węgla z innymi pierwiastkami. Możliwe staje się projektowanie materiałów o określonych parametrach, złożonych z klastrów atomowych o niezbędnych właściwościach fizykochemicznych.

Obecnie opisano alotropową postać węgla – fuleren, który wykorzystuje się np. jako produkt wyjściowy przy produkcji diamentów (The fullerens, red. H.W. Kroto, J.E. Fischer, D.E. Cox, PergamonPress, Oxford, NewYork, Seul, Tokio, 1993).

Fuleren to cząsteczka, w której atomy węgla (60-240 lub więcej) są połączone ze sobą w taki sposób, że tworzą wydrążoną bryłę o kształcie zbliżonym do kulistego. Na przykład cząsteczka fulerenu C 60 przypomina piłkę nożną; składa się z 20 sześciokątów i 12 pięciokątów. Odległości międzyatomowe w cząsteczce fulerenu C 60 pozostały prawie tak krótkie i duże, jak w warstwie grafitu (tj. w grafenie); średnica cząsteczki wynosi około 0,7 nm.

Znany jest supertwardy materiał węglowy i sposób jego wytwarzania, natomiast jako wyjściowy materiał węglowy stosuje się alotropową formę węgla – fuleren C 60 (patent RF 2127225, 1996).

Fuleren C 60 poddawany jest działaniu ciśnienia 7,5-37 GPa i wybranej temperatury z zakresu 20-1830°C w aparatach wysokociśnieniowych: typu „toroidalnego”, kowadełkowego typu Bridgmana itp. Kiedy fuleren początkowy poddawany jest działaniu ciśnienia i temperatury, następuje polimeryzacja cząsteczek lub fragmentów cząsteczek fulerenu. Kompaktowe próbki materiału mają wysokie właściwości mechaniczne i elektryczne.

Jednak pomimo wysokich właściwości mechanicznych opisywanych materiałów supertwardych, ich przewodność cieplna jest wyjątkowo niska.

Ogranicza to w szczególności zastosowanie tych materiałów w narzędziach skrawających, gdyż brak intensywnego odprowadzania ciepła powstającego w obszarze styku produktu z narzędziem znacznie ogranicza wydajność takiego narzędzia i prowadzi do jego awarii na skutek przegrzania.

Ponadto znane obecnie aparaty wysokociśnieniowe (przy 7,5-37 GPa) mają małe objętości, co ogranicza wielkość produktu, który można wytworzyć z materiału otrzymywanego w takich aparatach. Zatem łatwo jest wyprodukować końcówkę narzędzia tnącego o długości 1 cm, ale nie jest już możliwe wytworzenie elementu korpusu samolotu o długości 1 m.

Dlatego też wyrobami, które można wykonać z materiału otrzymanego znanym sposobem, są głównie końcówki narzędzi skrawających.

Rnrnrn rnrnrn rnrnrn

Znany jest supertwardy materiał kompozytowy i sposób jego wytwarzania (patent RF 2491987, 2011). Metoda polega na poddaniu początkowego składnika węglowego działaniu wysokiego ciśnienia i temperatury, przy czym stosuje się diament i składnik wiążący, przy czym składnik węglowy zawiera dodatkowo fuleren i/lub nanodiament, a jako spoiwo stosuje się jeden lub więcej składników wybranych spośród poniższych składnik: brąz ze stopu krzemu, stop monelu, stop twardy.

Produkcja materiału odbywa się dwuetapowo, w pierwszym etapie mieszaninę składników wyjściowych poddaje się działaniu ciśnienia dynamicznego 10-50 GPa w temperaturze 900-2000°C, a w drugim otrzymany materiał umieszcza się w aparacie wysokociśnieniowym, poddaje działaniu ciśnienia statycznego od 5 do 15 GPa i podgrzewa do temperatury 700-1700°C przez co najmniej 20 sekund.

Znana metoda pozwala na otrzymanie materiału węglowego o wysokiej mikrotwardości, elastyczności i zwiększonej odporności na zużycie, co pozwala na jego zastosowanie w przemyśle wydobywczym, kamieniarskim i metalowym.

Jednakże obecnie znane aparaty wysokociśnieniowe (przy 7,5-37 GPa) mają małe objętości, co ogranicza wielkość produktu, który można wykonać z materiału otrzymanego w takich aparatach, co nie pozwala na wykorzystanie opisywanego materiału w przemysł rakietowy, kosmiczny i lotniczy

Znany jest stop aluminium B95 oraz kompozyt na bazie włókien węglowych i żywicy epoksydowej, które są przykładami materiału, który jest jednocześnie mocny i lekki. Materiały te mają najwyższy wskaźnik wytrzymałości - / około 200 (wskaźnik wytrzymałości - stosunek wytrzymałości na rozciąganie lub zginanie poprzeczne (w jednostkach MPa) i gęstości (w jednostkach g/cm 3) /)

Obydwa materiały nie są jednak bardzo twarde (twardość poniżej 1-2 GPa), a ponadto są żaroodporne (temperatura pracy poniżej 200°C).

Znane materiały kompozytowe węgiel-węgiel są mocne i żaroodporne, ale nie są bardzo twarde (Materiały kompozytowe. Podręcznik pod redakcją V.V. Wasiliewa, Yu.M. Tarnopolskiego. - M., 1990).

Innym dobrze znanym materiałem jest węglik boru, B4C jest lekki (gęstość 2,52 g/cm 3), bardzo twardy (twardość około 35 GPa) i żaroodporny (temperatura pracy do 2000°C), ale jest wyjątkowo kruchy, dlatego podane parametr / prawie niemożliwe jest jego określenie (Samsonov G.V., Kosolapova T.Ya., Domasevich L.T. Właściwości, metody produkcji i obszary zastosowania węglików ogniotrwałych i opartych na nich stopów. - Kijów, 1974).

Znana praca (Twarde nieuporządkowane fazy powstałe podczas obróbki wysokociśnieniowej i wysokotemperaturowej C 60. V.D. Blank, V.N. Denisov, A.N. Ivlev, B.N. Mavrin, N.R. Serebryanaya, G.A. Dubitsky, S.A. Sulynov, M. Yu. Popov, N. Lvova , S.G. Buga i G. Kremkova. Carbon, V. 36, P 1263-1267 (1998)), w którym opisano sposób wytwarzania materiału węglowego o wysokiej twardości (o twardości od 10 GPa do sześciennego BN (50 GPa)) z fuleren molekularny C 60 i sam ten materiał, zwany w pracy warstwowym, usieciowanym, nieuporządkowanym materiałem węglowym. Wysokotwardy (o twardości 10-50 GPa) warstwowy usieciowany nieuporządkowany materiał węglowy, zwany dalej fulerytem VT, otrzymywany jest w aparaturze wysokociśnieniowej (przy ciśnieniu 7-8 GPa i ogrzewaniu 600-1600°C).

Gęstość fulerytu VT wynosi około 2,1 g/cm3, a twardość H, jak podano powyżej, przekracza 10 GPa. Korzystając ze znanych zależności pomiędzy wytrzymałością a twardością, dla fulerytu VT można oczekiwać, że wartość wskazanego parametru / będzie większa niż 1000.

Oprócz dużej twardości fuleryt VT powoduje niemal całkowite elastyczne odtworzenie wcięcia po wcięciu, co wskazuje na jego wyjątkowe właściwości mechaniczne, gdy jest stosowany jako materiał konstrukcyjny.

A obecnie znane aparaty wysokociśnieniowe (przy 7,5-37 GPa) mają małe objętości, co ogranicza wielkość produktu, który można wytworzyć z materiału otrzymanego w takich aparatach.

Zatem znany materiał nie może być również stosowany jako materiał konstrukcyjny w przemyśle rakietowym, kosmicznym i lotniczym.

Dodatkowo podczas powstawania fulerytu VT z fulerenu C 60 następuje znaczny skok objętości: gęstość fulerenu wyjściowego wynosi 1,7 g/cm 3, natomiast gęstość fulerytu VT wynosi 2,1 g/cm 3, co jako prowadzi do powstania znacznych naprężeń w próbce i w efekcie do jej pękania. Niska przewodność cieplna pierwotnego fulerenu (0,4 W/mK) i fulerytu VT (około 10 W/mK) prowadzi do dużych gradientów temperatur podczas syntezy, co również prowadzi do pękania próbki.

We wniosku o wynalazek materiałów kompozytowych zawierających nanostrukturalną fazę wiążącą węgiel i proces wysokociśnieniowy V. Kear, O. Voronov. W US 2005/0186104 z 23 marca 2004 autorzy zaproponowali materiał kompozytowy składający się z fazy matrycy i fazy spoiwa. Jako fazę wiążącą zaproponowano materiały otrzymane z fulerenu w wyniku obróbki termobarycznej mieszaniny fulerenu i fazy matrycy. Jako fazę osnowy proponowano zastosowanie różnych węglików, borków i tlenków, a także włókien diamentowych i węglowych. W pracy stwierdzono, że z fulerenu przy ciśnieniach poniżej 7 GPa można otrzymać materiały o dużej wytrzymałości.

Rnrnrn rnrnrn rnrnrn

Jednak to stwierdzenie nie jest wiarygodne. Jak wykazały badania autorów, materiały o dużej wytrzymałości (a także dużej twardości, o twardości powyżej 10 GPa) otrzymuje się z fulerenu C 60 jedynie w aparaturze wysokociśnieniowej przy 7-8 GPa i ogrzewaniu 600-1600 °C, co jak wskazano powyżej, nie pozwala na uzyskanie materiału na wyroby większe niż kilka centymetrów, co wyklucza zastosowanie tego materiału jako materiału konstrukcyjnego w przemyśle rakietowym, kosmicznym i lotniczym.

Rozwiązaniem technicznym najbliższym zastrzeganemu jest wspomniany powyżej sposób wytwarzania supertwardego materiału kompozytowego (patent RF 2491987, 2011). Sposób polega na poddaniu początkowego składnika węglowego, którym jest diament, działaniu wysokiego ciśnienia i temperatury oraz składnika wiążącego, przy czym składnik węglowy zawiera dodatkowo fuleren i/lub nanodiament, a jako środek wiążący stosuje się jeden lub więcej składników wybranych spośród poniższych składnik: stop brązu krzemowego, stop monelu, węglik.

Jednak pomimo tego, że znany materiał charakteryzuje się mikrotwardością, elastycznością i zwiększoną odpornością na zużycie, jest on bardzo kruchy, a ze względu na ograniczoną objętość obecnie istniejących komór wysokociśnieniowych nie można go uzyskać o wymiarach większych niż 1 cm.

Tym samym znane obecnie rozwiązania techniczne nie pozwalają na uzyskanie jednocześnie mocnych, lekkich, o wysokiej twardości i żaroodpornych kompozytowych materiałów konstrukcyjnych na bazie węgla.

Celem technicznym niniejszego wynalazku jest zapewnienie możliwości wytwarzania materiału kompozytowego na bazie węgla o małej gęstości, dużej wytrzymałości na zginanie boczne, dużej twardości i odporności cieplnej oraz wyrobów z niego wytwarzanych o charakterystycznej wielkości 1-100 cm (. Termin „wymiar charakterystyczny” w tym przypadku odnosi się do typowych wymiarów wyrobów, jakie można wykonać z proponowanego materiału kompozytowego.)

Celem niniejszego wynalazku jest stworzenie sposobu wytwarzania materiału kompozytowego na bazie węgla o dużej wytrzymałości, dużej twardości, żaroodporności i lekkiego materiału kompozytowego na bazie węgla, nadającego się do wytwarzania z niego wyrobów o charakterystycznej wielkości 1-100 cm , które mogą być stosowane jednocześnie zarówno w przemyśle rakietowym, kosmicznym i lotniczym, jak i przy obróbce metali, obróbce kamienia naturalnego i innych materiałów twardych i supertwardych.

W tym celu zaproponowano metodę wytwarzania materiału kompozytowego na bazie węgla, która polega na poddaniu mieszaniny materiału zawierającego węgiel i wypełniacza działaniu ciśnienia i temperatury oraz dodaniu do mieszaniny związku zawierającego siarkę, a efekt przeprowadza się w temperaturze 600-2000 stopni i ciśnieniu 0,1-20 GPa.

Korzystnie, związek zawierający siarkę dodaje się w ilości od 0,1 do 3% wagowych, w przeliczeniu na siarkę, w stosunku do materiału zawierającego węgiel.

W tym przypadku jako związek zawierający siarkę stosuje się dwusiarczek węgla, czyli związek z grupy merkaptanów lub produkt oddziaływania związku z grupy merkaptanów z siarką elementarną.

Jako materiał zawierający węgiel stosuje się fuleren cząsteczkowy C 60 lub sadzę zawierającą fulereny.

Korzystnie jako wypełniacz stosuje się węglik boru w ilości od 30 do 70% wagowych materiału zawierającego węgiel.

Korzystnie wypełniaczem są włókna węglowe, diament, azotki, węgliki, borki lub tlenki w ilości od 1 do 99% wagowych materiału zawierającego węgiel.

Korzystne jest, aby ekspozycję przeprowadzano w temperaturze 800–1200 stopni i pod ciśnieniem 0,5–10 GPa.

Do ochrony oferowany jest również materiał kompozytowy uzyskany metodą według któregokolwiek z punktów 1-8.

Korzystne jest, aby materiał kompozytowy był przeznaczony do wytwarzania z niego produktów o charakterystycznym rozmiarze 1-100 cm.

Wiadomo, że wysokie właściwości mechaniczne materiałów kompozytowych na bazie węgla wynikają z tworzenia się wiązań chemicznych pomiędzy fazami osnowy i spoiwa.

Jednakże, jak już wspomniano, obecnie materiał kompozytowy o dobrych właściwościach mechanicznych można otrzymać jedynie w aparaturze wysokociśnieniowej (przy 5-15 GPa), gdzie proces syntezy zapewnia wytrzymałość (dzięki tworzeniu się wiązań chemicznych). połączenia fazy matrycy i wiązania. Przy niższych ciśnieniach zarówno wytrzymałość faz osnowy, jak i siła wiązania fazy osnowy i spoiwa są wyjątkowo niskie, a taki materiał kompozytowy nie będzie miał znaczących wartości wytrzymałości w warunkach naprężeń rozciągających (wytrzymałość na rozciąganie lub zginanie).

Jak wykazały badania autorów, możliwe okazało się wyselekcjonowanie pierwiastków inicjujących powstawanie wiązań chemicznych zarówno pomiędzy cząsteczkami C 60, jak i pomiędzy C 60 a innymi składnikami materiału kompozytowego przy niższym ciśnieniu i temperaturze. Oprócz inicjowania reakcji polimeryzacji C 60 - 3D (tj. trójwymiarowej, gdy tworzą się wiązania kowalencyjne łączące cząsteczki C 60 we wszystkich kierunkach), taka substancja musi być równomiernie rozprowadzona w całej objętości materiału wyjściowego. Jeżeli taki inicjator będzie równomiernie rozprowadzony w całym fulerenie w kompozycie, wówczas możemy spodziewać się bardziej równomiernego przebiegu procesu tworzenia kompozytu (wraz z powstawaniem wiązań chemicznych), a w efekcie bardziej równomiernego rozkładu właściwości fizycznych i mechanicznych właściwości powstałego kompozytu. Według badań autorów może to być związek zawierający siarkę wybrany z grupy: dwusiarczek węgla lub związek z grupy merkaptanów, w szczególności merkaptan izoamylowy, lub produkt oddziaływania związku z grupy merkaptanów z pierwiastkami siarka.

Okazało się, że wśród tej grupy dwusiarczek węgla CS 2 najpełniej spełnia te wymagania. Dwusiarczek węgla CS2 potencjalnie ma obie te właściwości. Rzeczywiście, w warunkach spiekania materiału kompozytowego rozkłada się on z wydzieleniem siarki elementarnej (Tonkov EY, High Pressure Phase Transformations Handbook Vol. 1. Amsterdam: OPA; 1992). Dzięki dużemu powinowactwu z węglem, atomy siarki (po rozkładzie CS 2) utworzą kowalencyjne wiązania CS z fulerenem i przekształcą cząsteczkę fulerenu w rodnik, co z kolei inicjuje tworzenie wiązań z otaczającymi cząsteczkami lub innymi składnikami materiał. Ponadto CS 2 jest dobrym rozpuszczalnikiem fulerenu molekularnego C 60 i dlatego łatwo przenika do kryształu molekularnego pierwotnego C 60. Dzięki temu atomy siarki mogą być równomiernie rozmieszczone w przestrzeni zajmowanej przez fuleren. Ponieważ takie centra inicjalizacji są równomiernie rozmieszczone w objętości zajmowanej przez fuleren, wynikiem jest produkt izotropowy.

Wypełniacz odgrywa znaczącą rolę w syntezie materiałów kompozytowych. Przy formowaniu matrycy z fulerenu C 60 następuje znaczny skok objętości: gęstość wyjściowego fulerenu wynosi 1,7 g/cm 3, natomiast gęstość matrycy wynosi 2,1 g/cm 3, co w efekcie prowadzi na znaczne naprężenia w próbce i w konsekwencji jej pękanie. Dodatkowo niska przewodność cieplna pierwotnego fulerenu (0,4 W/mK) i otrzymanej z niego matrycy (około 10 W/mK) prowadzi do dużych gradientów temperatur podczas syntezy, co również prowadzi do pękania próbki. Wypełniacz dzięki odkształceniu sprężystemu i wyższej przewodności cieplnej neutralizuje powyższe efekty, co pozwala na uzyskanie materiału kompozytowego bez pęknięć.

Do scharakteryzowania struktury otrzymanych próbek wykorzystano dobrze znaną metodę badania dyfrakcji promieni rentgenowskich.

Do kontroli składu pierwiastkowego otrzymanych próbek wykorzystano analizy znanymi metodami spektroskopii dyspersyjnej i falowej z wykorzystaniem elektronowego mikroskopu skaningowego.

Aby scharakteryzować właściwości mechaniczne, zmierzono twardość i wytrzymałość na zginanie znanymi metodami.

Twardość mierzono za pomocą piramidy Vickersa lub Knuppa zgodnie z GOST 9450-76.

Pomiary wytrzymałości na rozciąganie podczas zginania poprzecznego przeprowadzono stosując trzypunktowy schemat zginania zgodnie z GOST 20019-74.

Moduły sprężystości wyznaczono znaną metodą ultradźwiękową.

Wartości modułów sprężystości pozwalają ocenić połączenia pomiędzy elementami kompozytu. Wysokie moduły sprężystości wskazują na obecność wiązania chemicznego pomiędzy napełniaczem a materiałem węglowym otrzymanym w wyniku syntezy.

Gęstość próbek mierzono znaną metodą ważenia hydrostatycznego.

Ostatnim, szeroko stosowanym w technologii parametrem, za pomocą którego ocenia się perspektywy wykorzystania powstałego materiału w przemyśle rakietowym, kosmicznym i lotniczym, jest stosunek wytrzymałości do gęstości/.

Wytrzymałość cieplną próbki określono znaną metodą analizy termograwimetrycznej.

Na FIG. Na rys. 1 przedstawiono wyniki pomiaru wytrzymałości na zginanie poprzeczne próbki materiału kompozytowego syntetyzowanego z mieszaniny C 60 i B 4 C (w stosunku 50/50% wag.) w obecności CS 2 pod ciśnieniem 2 GPa i temperaturze 1000°C. Wytrzymałość graniczna podczas zginania poprzecznego na zginanie = 570 MPa.

Na FIG. Na rys. 2 przedstawiono wyniki pomiaru wytrzymałości na ściskanie próbki materiału kompozytowego syntetyzowanego z mieszaniny C 60 i B 4 C (w stosunku 50/50% wag.) w obecności CS 2 pod ciśnieniem 2 GPa i temperaturze 1000°C. Maksymalna wytrzymałość na ściskanie przy ściskaniu = 2250 MPa.

Na FIG. Na rycinie 3 przedstawiono wyniki analizy termograwimetrycznej próbek przeprowadzonej w temperaturze do 1400°C w powietrzu. Dolna krzywa odpowiada próbce materiału kompozytowego syntetyzowanego z mieszaniny C 60 i B 4 C (w stosunku 50/50% wag.) w obecności CS 2 pod ciśnieniem 2 GPa i temperaturze 1000 °C. Górna krzywa odpowiada początkowemu sproszkowanemu węglikowi boru.

Poniższe przykłady ilustrują wynalazek bez ograniczania jego istoty.

Przykład 1. Wytwarzanie materiału kompozytowego według wynalazku pod ciśnieniem 0,1 GPa.

W tym celu mieszaninę wprowadza się do komory wysokociśnieniowej typu tłokowo-cylindrowego, ładuje do stałego ciśnienia 0,1 GPa i podgrzewa do temperatury 1000°C z czasem przetrzymywania 100 s. Po odciążeniu próbkę poddaje się badaniom metodą dyfrakcji promieni rentgenowskich, spektroskopii Ramana, transmisyjnego mikroskopu elektronowego, analizie termograwimetrycznej oraz bada się jej właściwości mechaniczne.

Rnrnrn rnrnrn rnrnrn

Pomiary wytrzymałości granicznej podczas zginania poprzecznego, przeprowadzone zgodnie ze schematem zginania trzypunktowego (GOST 20019-74), dają wartość wytrzymałości granicznej podczas zginania poprzecznego * zgięcie = 400 MPa.

Gęstość mierzy się za pomocą ważenia hydrostatycznego. Gęstość próbki wynosi 2,20 g/cm 3 .

Podany parametr */ =180, tj. powstały materiał jest lepszy od wielu materiałów stosowanych w przemyśle rakietowym, kosmicznym i lotniczym.

Przykład 2. Wytwarzanie materiału kompozytowego według wynalazku pod ciśnieniem 0,5 GPa.

Proszek węglika boru B 4 C (o średniej wielkości ziarna 100 nm) w ilości 1 g miesza się z proszkiem fulerenu molekularnego C 60 (o średniej wielkości ziarna 1 µm) w ilości 1 g (w masie stosunku 50/50%) w młynie wibracyjnym.

Do powstałej mieszaniny C 60 i B 4 C dodaje się dwusiarczek węgla CS 2 w ilości 0,05 ml CS 2 na 1 g mieszaniny. Następnie mieszaninę C 60, B 4 C i CS 2 rozciera się w moździerzu agatowym do uzyskania jednorodnej konsystencji i wykorzystuje do wykonania próbek.

W tym celu mieszaninę wprowadza się do komory wysokociśnieniowej typu tłokowo-cylindrowego o średnicy roboczej 100 mm, ładuje do stałego ciśnienia 0,5 GPa i podgrzewa do temperatury 1000°C z czasem przetrzymywania równym 100 s. Otrzymana próbka ma średnicę 100 mm. Z próbek tej wielkości można wykonać w szczególności osłonę termiczną lub łopatkę turbiny.

Po odciążeniu próbkę poddaje się badaniom metodą dyfrakcji promieni rentgenowskich, spektroskopii Ramana, transmisyjnego mikroskopu elektronowego, analizie termograwimetrycznej oraz bada się jej właściwości mechaniczne.

Twardość mierzy się za pomocą piramidy Vickersa lub Knuppa (GOST 9450-76). Twardość materiału otrzymanego w tym przykładzie mieści się w zakresie 10-70 GPa, a materiał jest bardzo twardy.

Analizę elementarną przeprowadza się metodą spektroskopii dyspersyjnej i falowej przy użyciu elektronowego mikroskopu skaningowego. Przeprowadzona analiza elementarna wykazała, że ​​zawartość siarki w otrzymanym materiale jest mniejsza niż 0,01%, tj. siarka jest usuwana z powstałego materiału w procesie syntezy.

Pomiary wytrzymałości granicznej podczas zginania poprzecznego, przeprowadzone zgodnie ze schematem zginania trzypunktowego (GOST 20019-74), dają wartość wytrzymałości granicznej podczas zginania poprzecznego * zgięcie = 500 MPa.

Gęstość mierzy się za pomocą ważenia hydrostatycznego. Gęstość próbki wynosi 2,23 g/cm 3 .

Podany parametr */ =220, tj. powstały materiał jest lepszy od wielu materiałów stosowanych w przemyśle rakietowym, kosmicznym i lotniczym.

Moduły sprężystości wyznaczane są metodą ultradźwiękową. Średnie wartości modułów sprężystości próbki wynoszą: moduł Younga E=150 GPa, moduł objętościowy K=110 GPa, moduł sprężystości przy ścinaniu G=60 GPa. Wysokie moduły sprężystości wskazują na obecność wiązania chemicznego pomiędzy węglikiem boru a materiałem węglowym otrzymanym w wyniku syntezy.

Analiza termograwimetryczna próbki przeprowadzona do temperatury 1400°C w powietrzu wykazała wzrost masy o około 3%, począwszy od temperatury 800°C, co jest związane z utlenianiem węglika boru. Ogólnie próbka okazała się odporna na ciepło.

Dzięki temu materiał kompozytowy powstałej próbki jest jednocześnie mocny, lekki, bardzo twardy i żaroodporny.

Przykład 3. Wytwarzanie materiału kompozytowego według wynalazku pod ciśnieniem 2 GPa.

Proszek węglika boru B 4 C (o średniej wielkości ziarna 100 nm) w ilości 1 g miesza się z proszkiem molekularnym C 60 (o średniej wielkości ziarna 1 µm) w ilości 1 g (w stosunku wagowym) 50/50%) w młynie wibracyjnym. Do powstałej mieszaniny C 60 i B 4 C dodaje się dwusiarczek węgla CS 2 w ilości 0,05 ml CS 2 na 1 g mieszaniny. Następnie mieszaninę C 60, B 4 C i CS 2 rozciera się w moździerzu agatowym do uzyskania jednorodnej konsystencji i wykorzystuje do wykonania próbek. W tym celu mieszaninę wprowadza się do komory wysokociśnieniowej typu tłokowo-cylindrowego, ładuje do stałego ciśnienia 2 GPa i podgrzewa do temperatury 1000°C z czasem przetrzymywania 100 s. Po odciążeniu próbkę poddaje się badaniom metodą dyfrakcji promieni rentgenowskich, spektroskopii Ramana, transmisyjnego mikroskopu elektronowego, analizie termograwimetrycznej oraz bada się jej właściwości mechaniczne.

Pomiary wytrzymałości granicznej na zginanie poprzeczne, przeprowadzone według trzypunktowego schematu zginania (GOST 20019-74), dają wartość wytrzymałości granicznej na zginanie poprzeczne * zgięcie = 570 MPa (ryc. 1) oraz wytrzymałość na ściskanie 2250 MPa (rys. 2).

Określony parametr */ =250.

Moduły sprężystości wyznaczane są metodą ultradźwiękową. Średnie wartości modułów sprężystości próbki wynoszą: moduł Younga E = 190 GPa, moduł objętościowy K = 120 GPa, moduł ścinania G = 75 GPa. Wysokie moduły sprężystości wskazują na obecność wiązania chemicznego pomiędzy węglikiem boru a materiałem węglowym otrzymanym w wyniku syntezy.

Analiza termograwimetryczna próbki przeprowadzona do temperatury 1400°C w powietrzu wykazała wzrost masy o około 3% począwszy od temperatury 600°C, co jest związane z utlenianiem węglika boru (rys. 3, dolna krzywa ). Ogólnie próbka okazała się odporna na ciepło. Dla porównania na ryc. Figura 3 przedstawia dane analizy termograwimetrycznej dla pierwotnego proszku węglika boru, przeprowadzonej w tych samych warunkach. W tym drugim przypadku obserwuje się wzrost masy o około 100%, związany z utlenianiem, mimo że węglik boru jest materiałem żaroodpornym (rys. 3, górna krzywa). W konsekwencji obserwuje się znaczny wzrost odporności cieplnej materiału kompozytowego w stosunku do pierwotnego B 4 C.

Dzięki temu materiał kompozytowy powstałej próbki jest jednocześnie mocny, lekki, bardzo twardy i żaroodporny.

Przykład 4. Wytwarzanie materiału kompozytowego w temperaturze 600-2000°C według wynalazku.

Wykonano kilka próbek. W tym celu proszek węglika boru B 4 C (o średniej wielkości ziaren 100 nm) miesza się z proszkiem molekularnym C 60 (o średniej wielkości ziaren 1 µm) w stosunku wagowym 30/70% i 70/30 % w młynie wibracyjnym. Całkowita masa mieszaniny w każdym przypadku wynosi 2 g. Do powstałej mieszaniny C 60 i B 4 C dodaje się dwusiarczek węgla CS 2 w ilości 0,05 ml CS 2 na 1 g mieszaniny. Następnie mieszaninę C 60, B 4 C i CS 2 rozciera się w moździerzu agatowym do uzyskania jednorodnej konsystencji i wykorzystuje do wykonania próbek. W tym celu mieszaninę ładuje się do komory wysokociśnieniowej typu tłokowo-cylindrowego, ładuje do stałego ciśnienia 1 GPa i podgrzewa do ustalonej temperatury z ustalonym czasem przetrzymywania w określonej temperaturze. Próbki otrzymano w temperaturach 600, 700, 800, 900, 1000, 1100, 1200, 1300, 1400, 1500, 1600 i 2000°C z czasami przetrzymywania 0,1, 1, 10, 30, 60, 120 i 180 s. Po rozładunku próbki poddaje się badaniom metodą dyfrakcji promieni rentgenowskich, spektroskopii Ramana, transmisyjnego mikroskopu elektronowego, analizie termograwimetrycznej oraz bada się właściwości mechaniczne.

Twardość mierzy się za pomocą piramidy Vickersa lub Knuppa (GOST 9450-76). Twardość otrzymanych próbek mieści się w przedziale 10-70 GPa, a materiał jest bardzo twardy.

Analizę elementarną przeprowadza się metodą spektroskopii dyspersyjnej i falowej przy użyciu elektronowego mikroskopu skaningowego. Przeprowadzona analiza elementarna wykazała, że ​​zawartość siarki w materiale jest mniejsza niż 0,01%, tj. siarka jest usuwana z powstałego materiału w procesie syntezy.

Pomiary wytrzymałości na rozciąganie podczas zginania poprzecznego przeprowadza się zgodnie ze schematem zginania trzypunktowego (GOST 20019-74). Gęstość mierzy się za pomocą ważenia hydrostatycznego. Podany parametr */ otrzymanych próbek jest nie mniejszy niż 200. Próbki zachowują trwałość co najmniej do 1400°C.

Przykład 5. Wytwarzanie materiału kompozytowego według wynalazku, w którym jako materiał zawierający węgiel stosuje się sadzę zawierającą fuleren.

Proszek węglika boru B 4 C (o średniej wielkości ziarna 100 nm) w ilości 1 g miesza się z proszkiem sadzy zawierającym fuleren (o średniej wielkości ziarna 1 mikrona) o zawartości C 60 60% w ilość 1 g (w stosunku wagowym 50/50%) w młynie wibracyjnym. Do powstałej mieszaniny sadzy zawierającej fuleren i B 4 C dodaje się dwusiarczek węgla CS 2 w ilości 0,05 ml CS 2 na 1 g mieszaniny. Następnie mieszaninę sadzy zawierającą fulereny, B 4 C i CS 2 rozdrabnia się w moździerzu agatowym do uzyskania jednorodnej konsystencji i wykorzystuje do wykonania próbek. W tym celu mieszaninę wprowadza się do komory wysokociśnieniowej typu tłokowo-cylindrowego, ładuje do stałego ciśnienia 1 GPa i podgrzewa do temperatury 1000°C z czasem przetrzymywania 100 s. Po rozładunku bada się właściwości mechaniczne próbki.

Twardość mierzy się za pomocą piramidy Vickersa lub Knuppa (GOST 9450-76). Uzyskana przez autorów twardość materiału mieści się w przedziale 10-70 GPa i jest materiałem bardzo twardym.

Analizę elementarną przeprowadza się metodą spektroskopii dyspersyjnej i falowej przy użyciu elektronowego mikroskopu skaningowego. Przeprowadzona analiza elementarna wykazała, że ​​zawartość siarki w otrzymanym materiale jest mniejsza niż 0,01%, tj. siarka jest usuwana z powstałego materiału w procesie syntezy.

Pomiary wytrzymałości granicznej podczas zginania poprzecznego przeprowadza się zgodnie ze schematem zginania trzypunktowego (GOST 20019-74). Gęstość mierzy się za pomocą ważenia hydrostatycznego. Podany parametr */ otrzymanych próbek wynosi 100. Próbki są stabilne co najmniej do 1400°C.

Dzięki temu materiał kompozytowy otrzymanych próbek jest jednocześnie mocny, lekki, bardzo twardy i żaroodporny.

Przykład 6. Wytwarzanie materiału kompozytowego według wynalazku.

Przygotowuje się kilka próbek, w tym celu każdy z proszków diamentu, węglika krzemu SiC, azotku glinu AlN, tlenku glinu Al 2 O 3, dwutlenku cyrkonu ZrO 2 w ilości 1 g miesza się z proszkiem cząsteczkowym C 60 w ilości 1 g (w stosunku wagowym 50/50%) w młynie wibracyjnym. Do powstałej mieszaniny C 60 i każdego z wymienionych proszków (SiC, AlN, Al 2 O 3 i ZrO 2) dodaje się dwusiarczek węgla CS 2 w ilości 0,05 ml CS 2 na 1 g mieszaniny. Następnie mieszaninę otrzymaną z dodatkiem CS 2 rozciera się w moździerzu agatowym do uzyskania jednorodnej konsystencji i wykorzystuje do wykonania próbek. W tym celu każdą z mieszanin wprowadza się do komory wysokociśnieniowej typu tłokowo-cylindrowego, ładuje do stałego ciśnienia 1 GPa i podgrzewa do temperatury 1000°C z czasem przetrzymywania 100 s. Po rozładunku badane są właściwości mechaniczne próbek.

Analizę elementarną przeprowadza się metodą spektroskopii dyspersyjnej i falowej przy użyciu elektronowego mikroskopu skaningowego. Przeprowadzona analiza elementarna wykazała, że ​​zawartość siarki w otrzymanym materiale jest mniejsza niż 0,01%, tj. siarka jest usuwana z powstałego materiału w procesie syntezy.

Dzięki temu materiał kompozytowy otrzymanych próbek jest jednocześnie mocny, lekki, bardzo twardy i żaroodporny.

Przykład 7. Wytwarzanie materiału kompozytowego według wynalazku, w którym jako materiał zawierający węgiel zastosowano włókna węglowe.

Do proszku molekularnego C 60 dodaje się dwusiarczek węgla CS 2 w ilości 0,05 ml CS 2 na 1 g C 60. Następnie mieszaninę rozciera się w moździerzu agatowym do uzyskania jednorodnej konsystencji. Do powstałej mieszaniny dodaje się włókna węglowe w stosunku wagowym 50% do fulerenu C 60 i dokładnie miesza szpatułką. Następnie mieszaninę w ilości 2 g wprowadza się do komory wysokociśnieniowej typu tłokowo-cylindrowego, ładuje do stałego ciśnienia 2 GPa i podgrzewa do temperatury 1000°C z czasem przetrzymywania 100 s. Po rozładunku badane są właściwości mechaniczne próbek.

Twardość mierzy się za pomocą piramidy Vickersa lub Knuppa (GOST 9450-76). Twardość powstałego materiału mieści się w przedziale 10-70 GPa, a materiał jest bardzo twardy.

Analizę elementarną przeprowadza się metodą spektroskopii dyspersyjnej i falowej przy użyciu elektronowego mikroskopu skaningowego. Przeprowadzona analiza elementarna wykazała, że ​​zawartość siarki w otrzymanym materiale jest mniejsza niż 0,01%, tj. siarka jest usuwana z powstałego materiału w procesie syntezy.

Pomiary wytrzymałości granicznej podczas zginania poprzecznego przeprowadza się zgodnie ze schematem zginania trzypunktowego (GOST 20019-74). Gęstość mierzy się za pomocą ważenia hydrostatycznego. Podany parametr */ otrzymanych próbek jest nie mniejszy niż 100. Próbki są stabilne co najmniej do 1000°C.

Dzięki temu materiał kompozytowy otrzymanych próbek jest jednocześnie mocny, lekki, bardzo twardy i żaroodporny.

Przykład 8. Wytwarzanie materiału kompozytowego według wynalazku, w którym jako napełniacz stosuje się regularny azotek boru.

Proszek sześciennego azotku boru c-BN (o średniej wielkości ziarna około 1 µm) w ilości 1 g miesza się z proszkiem cząsteczkowym C 60 (o średniej wielkości ziarna 1 µm) w ilości 1 g (w stosunku wagowym 50/50%) w młynie wibracyjnym. Do powstałej mieszaniny C 60 i c-BN dodaje się dwusiarczek węgla CS 2 w ilości 0,05 ml CS 2 na 1 g mieszaniny. Następnie mieszaninę C 60, c-BN i CS 2 rozciera się w moździerzu agatowym do uzyskania jednorodnej konsystencji i wykorzystuje do wykonania próbek. W tym celu mieszaninę wprowadza się do komory wysokociśnieniowej typu tłokowo-cylindrowego, ładuje do stałego ciśnienia 2 GPa i podgrzewa do temperatury 1000°C z czasem przetrzymywania 100 s. Po odciążeniu próbkę poddaje się badaniu metodą dyfrakcji promieni rentgenowskich, spektroskopii Ramana, transmisyjnego mikroskopu elektronowego oraz bada się jej właściwości mechaniczne.

Twardość mierzy się za pomocą piramidy Vickersa lub Knuppa (GOST 9450-76). Uzyskana przez autorów twardość materiału mieści się w przedziale 10-70 GPa i jest materiałem bardzo twardym.

Analizę elementarną przeprowadza się metodą spektroskopii dyspersyjnej i falowej przy użyciu elektronowego mikroskopu skaningowego. Przeprowadzona analiza elementarna wykazała, że ​​zawartość siarki w materiale jest mniejsza niż 0,01%, tj. siarka jest usuwana z powstałego materiału w procesie syntezy.

Pomiary wytrzymałości granicznej podczas zginania poprzecznego, przeprowadzone według trzypunktowego schematu zginania (GOST 20019-74), dają wartość wytrzymałości granicznej * zgięcie = 300 MPa.

Gęstość mierzy się za pomocą ważenia hydrostatycznego. Gęstość próbki wynosi 2,8 g/cm 3 .

Próbki są stabilne do temperatury co najmniej 1400°C w atmosferze ochronnej.

Dzięki temu materiał kompozytowy otrzymanych próbek jest jednocześnie mocny, lekki, bardzo twardy i żaroodporny.

Przykład 9. Przygotowanie materiału kompozytowego w temperaturach spoza zakresu 600-2000°C.

Wykonano kilka próbek. W tym celu proszek węglika boru B 4 C (o średniej wielkości ziarna 100 nm) miesza się z cząsteczkowym proszkiem C 60 (o średniej wielkości ziarna 1 µm) w stosunku wagowym 50/50% w młynie wibracyjnym . Całkowita masa mieszaniny w każdym przypadku wynosi 2 g. Do powstałej mieszaniny C 60 i B 4 C dodaje się dwusiarczek węgla CS 2 w ilości 0,05 ml CS 2 na 1 g mieszaniny. Następnie mieszaninę C 60, B 4 C i CS 2 rozciera się w moździerzu agatowym do uzyskania jednorodnej konsystencji i wykorzystuje do wykonania próbek. W tym celu mieszaninę ładuje się do komory wysokociśnieniowej typu tłokowo-cylindrowego, ładuje do stałego ciśnienia 2 GPa i podgrzewa do ustalonej temperatury z ustalonym czasem przetrzymywania w określonej temperaturze. Próbki otrzymano w temperaturach 400 i 2400°C z czasem przetrzymywania 100 s. Po rozładowaniu próbki bada się jej właściwości mechaniczne.

Przykład 10. Przygotowanie materiału kompozytowego poza zakresem ciśnień 0,1-20 GPa.

Proszek węglika boru B 4 C (o średniej wielkości ziarna 100 nm) w ilości 1 g miesza się z proszkiem fulerenu molekularnego C 60 (o średniej wielkości ziarna 1 µm) w ilości 1 g (w masie stosunku 50/50%) w młynie wibracyjnym.

Do powstałej mieszaniny C 60 i B 4 C dodaje się dwusiarczek węgla CS 2 w ilości 0,05 ml CS 2 na 1 g mieszaniny. Następnie mieszaninę C 60, B 4 C i CS 2 rozciera się w moździerzu agatowym do uzyskania jednorodnej konsystencji i wykorzystuje do wykonania próbek.

W tym celu mieszaninę ładuje się do komory wysokociśnieniowej typu tłokowo-cylindrowego, ładuje do stałego ciśnienia 0,05 GPa (pozyskiwanie próbek przy ciśnieniach powyżej 20 GPa wydaje się technicznie trudne) i podgrzewa do temperatury 1000°C z czasem przetrzymywania 100 s. Po rozładowaniu próbki bada się jej właściwości mechaniczne.

Twardość mierzy się za pomocą piramidy Vickersa lub Knuppa (GOST 9450-76). Twardość otrzymanych próbek kształtuje się na poziomie poniżej 10 GPa, a materiał nie jest bardzo twardy.

Tym samym materiał kompozytowy otrzymanych próbek nie jest bardzo twardy.

Przykład 11. Wytwarzanie materiału kompozytowego według wynalazku z zastosowaniem merkaptanu lub tiolu zamiast dwusiarczku węgla.

Proszek węglika boru B 4 C (o średniej wielkości ziarna 100 nm) w ilości 1 g miesza się z proszkiem fulerenu molekularnego C 60 (o średniej wielkości ziarna 1 µm) w ilości 1 g (w masie stosunku 50/50%) w młynie wibracyjnym.

Do powstałej mieszaniny C 60 i B 4 C dodaje się izoamylomekaptan C 5 H 11 SH lub tiol C 6 H 5 SH w ilości 0,05 ml C 5 H 11 SH lub C 6 H 5 SH na 1 g mieszaniny . Następnie mieszaninę C 60, B 4 C i C 5 H 11 SH lub C 6 H 5 SH rozdrabnia się w moździerzu agatowym do uzyskania jednorodnej konsystencji i wykorzystuje do wykonania próbek.

W tym celu mieszaninę wprowadza się do komory wysokociśnieniowej typu tłokowo-cylindrowego, ładuje do stałego ciśnienia 2 GPa i podgrzewa do temperatury 1000°C z czasem przetrzymywania 100 s. Po rozładowaniu próbki bada się jej właściwości mechaniczne.

Twardość mierzy się za pomocą piramidy Vickersa lub Knuppa (GOST 9450-76). Uzyskana przez autorów twardość materiału mieści się w przedziale 10-70 GPa i jest materiałem bardzo twardym.

Pomiary wytrzymałości granicznej podczas zginania poprzecznego, przeprowadzone zgodnie ze schematem zginania trzypunktowego (GOST 20019-74), dają wartość wytrzymałości granicznej podczas zginania poprzecznego * zgięcie = 530 MPa.

Gęstość mierzy się za pomocą ważenia hydrostatycznego. Gęstość próbki wynosi 2,3 g/cm 3 .

Określony parametr */ =230.

Analiza termograwimetryczna próbki przeprowadzona w temperaturze do 1400°C w powietrzu wykazała, że ​​próbka okazała się żaroodporna.

Dzięki temu materiał kompozytowy powstałej próbki jest jednocześnie mocny, lekki, bardzo twardy i żaroodporny.

Prawo

1. Sposób wytwarzania materiału kompozytowego na bazie węgla, polegający na poddaniu mieszaniny materiału zawierającego węgiel i napełniacza działaniu ciśnienia i temperatury, znamienny tym, że do mieszaniny dodaje się związek zawierający siarkę, a działanie przeprowadza się w temperaturze temperatura 600-2000 stopni i ciśnienie 0,1-20 GPa.

2. Sposób według zastrzeżenia 1, znamienny tym, że związek zawierający siarkę dodaje się w ilości od 0,1 do 3% masowych w przeliczeniu na siarkę w przeliczeniu na masę materiału zawierającego węgiel.

3. Sposób według zastrzeżenia 1, znamienny tym, że jako związek zawierający siarkę stosuje się dwusiarczek węgla.

4. Sposób według zastrzeżenia 1, znamienny tym, że jako związek zawierający siarkę stosuje się związek z grupy merkaptanów lub produkt reakcji związku z grupy merkaptanów z siarką elementarną.

5. Sposób według zastrzeżenia 1, znamienny tym, że jako materiał zawierający węgiel stosuje się fuleren molekularny C 60.

6. Sposób według zastrzeżenia 1, znamienny tym, że jako materiał zawierający węgiel stosuje się sadzę zawierającą fulereny.

7. Sposób według zastrzeżenia 1, znamienny tym, że jako wypełniacz stosuje się węglik boru w ilości od 30 do 70% masowych masy materiału zawierającego węgiel.

8. Sposób według zastrzeżenia 1, znamienny tym, że jako wypełniacz stosuje się włókna węglowe lub diament, lub azotki, lub węgliki, albo borki, albo tlenki, w ilości od 1 do 99% masowych masy węgla- zawierający materiał.

9. Sposób według zastrzeżenia 1, znamienny tym, że efekt korzystnie prowadzi się w temperaturze 800-1200 stopni i pod ciśnieniem 0,5-10 GPa.

10. Materiał kompozytowy otrzymany sposobem określonym w którymkolwiek z paragrafów. 1-9.

11. Materiał kompozytowy według zastrz. 10, znamienny tym, że przeznaczony jest do wytwarzania z niego wyrobów o charakterystycznej wielkości 1-100 cm.

Nazwa wynalazcy: Blank Vladimir Davydovich (RU), Mordkovich Vladimir Zalmanovich (RU), Ovsyannikov Danila Alekseevich (RU), Perfilov Sergey Alekseevich (RU), Pozdnyakov Andrey Anatolyevich (RU), Popow Michaił Jurijewicz (RU), Prochorow Wiaczesław Maksimowicz (RU)
Imię i nazwisko właściciela patentu: Federalna Państwowa Budżetowa Instytucja Naukowa „Instytut Technologiczny Supertwardych i Nowych Materiałów Węglowych” (FGBNU TISNUM) (RU)
Adres pocztowy do korespondencji: 125502, Moskwa, ul. Ławoczkina, 50, bud. 1, m. 24, Tsetovich N.L.
Data rozpoczęcia patentu: 29.04.2014

Węgiel – CM nazywane są węglem i reprezentują matrycę węglową wzmocnioną włóknami węglowymi lub tkaninami. Podobne właściwości fizykochemiczne zapewniają silne połączenie włókien z matrycą oraz unikalne właściwości tych CM. Właściwości mechaniczne tych CM zależą w dużej mierze od schematu zbrojenia (sin może wahać się od 100 do 1000 MPa). Uważa się, że najlepsze ułożenie wzmocnionych włókien ma miejsce wtedy, gdy są one ułożone w trzech lub więcej kierunkach.

Węgiel - węgiel CM charakteryzuje się niską gęstością (1,3...2 t/m 3), małą pojemnością cieplną, odpornością na szok termiczny, erozję i napromieniowanie; niskie współczynniki tarcia i rozszerzalności liniowej; wysoka odporność na korozję; szeroki zakres właściwości elektrycznych; wysoka wytrzymałość i sztywność. Jest to niewątpliwie zaleta tych materiałów. W CM typu węgiel-węgiel wraz ze wzrostem temperatury wytrzymałość i moduł sprężystości zwiększają się 1,5...2 razy.

Wady obejmują tendencję do utleniania po podgrzaniu do temperatur powyżej 500 ° C w środowisku utleniającym. W obojętnym środowisku i próżni CM typu węgiel-węgiel działają w temperaturze do 3000 °C.

Materiałem wyjściowym do osnowy są syntetyczne żywice organiczne z dużą zawartością pozostałości koksu (fenolowo-formaldehydowe, furanowe, epoksydowe itp.). Żywice termoutwardzalne mają dobre właściwości impregnacyjne. Większość z nich utwardza ​​się w stosunkowo niskich temperaturach (do 200...250°C) i zawiera 50...56% koksu. Podczas pirolizy tworzą węgiel szklisty, który nie podlega grafityzacji do 3000°C.

Wady paków obejmują niejednorodny skład chemiczny, który przyczynia się do powstawania porowatości; termoplastyczność, powodująca migrację spoiw i deformację produktu; obecność związków rakotwórczych wymagających dodatkowych środków bezpieczeństwa. Wypełniacze CM typu węgiel-węgiel to włókna węglowo-grafitowe, kable, nici i materiały tkane. Struktura i właściwości CM w dużej mierze zależą od sposobu ich przygotowania. Poniższe dwa są najbardziej rozpowszechnione.

Pierwsza metoda polega na impregnacji włókien grafitowych żywicą lub pakem, nawinięciu przedmiotu obrabianego, jego hartowaniu i obróbce mechanicznej do zadanego rozmiaru, karbonizacji w temperaturze 800...1500°C w atmosferze gazu obojętnego lub obojętnym, zagęszczeniu węglem pirometrycznym, grafityzacja w temperaturze 2500...3000°C i nakładanie powłok przeciwutleniających z węglików krzemu i cyrkonu. Aby uzyskać materiał o dużej gęstości, cykl impregnacji – utwardzania – karbonizacji powtarza się wielokrotnie. Łącznie proces trwa około 75 godzin. Gęstość CM uzyskanego tą metodą wynosi 1,3...2 t/m 3.

Druga metoda wytwarzania CM węgiel-węgiel polega na osadzaniu się węgla z ośrodka gazowego powstającego podczas termicznego rozkładu węglowodorów (na przykład metanu) na włóknach ramy przedmiotu obrabianego (produktu) i wypełnianiu porów między nimi. Metoda osadzania gazowego jest droższa, ale zapewnia silniejszą przyczepność włókien do osnowy, większą zawartość węgla w osnowie i większą gęstość całego CM. Metoda ta pozwala na otrzymanie CM o różnych właściwościach, w tym także określonych.

Materiały kompozytowe węgiel-węgiel powstały po raz pierwszy na początku lat 60. ubiegłego wieku, jednocześnie z pojawieniem się wysokowytrzymałych włókien węglowych. Metodę wytwarzania włókien z węgla, substancji nietopliwej i nierozpuszczalnej, po raz pierwszy zaproponowali Edisona i Swana. Udało im się, podgrzewając włókna organiczne w określonych warunkach, nie zniszczyć je, ale przekształcić je w włókna węglowe. Tę samą zasadę zastosowano pod koniec lat pięćdziesiątych ubiegłego wieku, kiedy niezależnie od siebie rozpoczęto badania w ZSRR, USA i Japonii, które położyły podwaliny pod powstanie przemysłu materiałów z włókna węglowego (CFM). W ciągu ostatnich lat jako surowiec do tych celów wypróbowano prawie wszystkie włókna przemysłowe, a także szereg specjalnie otrzymanych włókien. Jednak większość z nich nie spełniała wymagań, z których głównymi były nietopliwość lub łatwość jej nadawania, wydajność gotowego włókna i jego wysoka wydajność.

Materiały kompozytowe węgiel-węgiel (CCCM) zawierają element wzmacniający węgiel w postaci dyskretnych włókien, ciągłych nici lub kabli, filców, taśm, tkanin o splocie płaskim i wolumetrycznym oraz wolumetrycznych konstrukcji ramowych. Włókna ułożone są chaotycznie, jedno-, dwu- i trójkierunkowo; główne schematy ułożenia włókien w CCCM przedstawiono na rys. 2.

Matryca węglowa łączy w kompozycie elementy wzmacniające, co pozwala mu najlepiej absorbować różnorodne obciążenia zewnętrzne. Czynnikami decydującymi o wyborze materiału matrycy są skład, struktura i właściwości koksu.

Zaletami CCCM jest niska gęstość (1,3 – 2,1 t/m3); wysoka pojemność cieplna, odporność na szok termiczny, erozję i napromieniowanie; niskie współczynniki tarcia i rozszerzalności liniowej; wysoka odporność na korozję; szeroki zakres właściwości elektrycznych (od przewodników po półprzewodniki); wysoka wytrzymałość i sztywność. Unikalną cechą CCCM jest 1,5-2,0-krotny wzrost wytrzymałości i modułu sprężystości wraz ze wzrostem temperatury. Do ich wad należy tendencja do utleniania po podgrzaniu do temperatur powyżej 500 şС w środowisku utleniającym. W obojętnym środowisku i próżni produkty wykonane z CCCM działają w temperaturze do 3000 ºС.

Właściwości CCCM różnią się w szerokim zakresie. Wytrzymałość zwęglonego CCCM jest proporcjonalna do gęstości. Grafizacja karbonizowanego CCCM zwiększa jego wytrzymałość.

Rysunek 2. Rozmieszczenie włókien węglowych w CCCM

Wytrzymałość CCCM na bazie wysokowytrzymałych włókien węglowych jest wyższa niż wytrzymałość CM na bazie wysokomodułowych włókien węglowych otrzymywanych w różnych temperaturach przetwarzania. Niektóre CCCM, szczególnie te otrzymywane poprzez karbonizację włókna węglowego na bazie polimerów organicznych, charakteryzują się wzrostem wytrzymałości wraz ze wzrostem temperatury pracy od 20 do 2700 ºС. W temperaturach powyżej 3000 şС CCCM działają przez krótki czas, ponieważ rozpoczyna się intensywna sublimacja grafitu. Właściwości CCCM zmieniają się w powietrzu pod wpływem długotrwałej ekspozycji na stosunkowo niskie temperatury. Zatem w temperaturze 400 – 650 şС w środowisku powietrza następuje utlenianie CCCM i w konsekwencji szybki spadek wytrzymałości w wyniku wzrostu porowatości.

Do szczególnych właściwości CMUC zalicza się: niską porowatość, niski współczynnik rozszerzalności cieplnej, zachowanie stabilnej struktury i właściwości, a także wymiarów produktu po nagrzaniu do 2000°C i schłodzeniu, wysokie właściwości mechaniczne (wykres 1, tab. 4), a także dobra przewodność elektryczna. Głównym zastosowaniem CCCM są produkty pracujące w temperaturach powyżej 1200 şС.

Wykres 1 – Zależność temperaturowa wytrzymałości właściwej na rozciąganie różnych materiałów wysokotemperaturowych

Tabela 4 - Porównawcze właściwości mechaniczne materiałów

Specyficzne wykorzystanie właściwości CCCM wiąże się z szeregiem unikalnych cech charakterystycznych dla tej klasy materiałów węglowych. Obecność wypełniacza włóknistego w objętości CCCM powoduje, że poziom ich właściwości fizyko-mechanicznych jest nieosiągalny dla tradycyjnych materiałów węglowych. Zmienianie układu przestrzennego włóknistego wypełniacza kompozytu jest skutecznym narzędziem kontroli anizotropii właściwości CCCM.

Ogólna zasada otrzymywania CCCM polega na utworzeniu ramy wzmacniającej i uformowaniu w swojej objętości matrycy węglowej.