Fibra de carbono. Material compósito carbono-carbono e método para sua fabricação Materiais compósitos reforçados com fibra de carbono

25.07.2023

Produção de materiais poliméricos

Nossa oferta

A produção de materiais poliméricos requer experiência considerável. Para alcançar padrões de qualidade aceitos, não são necessários apenas funcionários qualificados, mas também tecnologia bem estabelecida para a fabricação de produtos. Por estes motivos, todos os apresentados são de elevada qualidade, garantem a concretização dos seus objetivos e têm avaliações positivas regulares.

No catálogo você pode selecionar produtos para as seguintes áreas:

Engenharia Mecânica;
indústria espacial e de aviação;
energia eólica;
construção;
Equipamentos esportivos;
Bens de consumo comum

É nosso produção de produtos a partir de materiais poliméricos pode fornecer a quantidade de produtos que você precisa. Não há restrições quanto ao volume de pedidos. Ao mesmo tempo, você pode contar com assessoria completa de profissionais e pronta execução das tarefas atribuídas. A produção de materiais poliméricos na Rússia, que realizamos, permite adquirir os itens de catálogo necessários através do sistema atacadista. Explore o nosso catálogo, e se ainda tiver alguma dúvida, não a deixe para depois e contacte agora mesmo o nosso serviço de suporte.

Por que o preço da fibra de carbono é tão alto?

O alto consumo de energia é a principal razão do alto custo da fibra de carbono. No entanto, isso é mais do que compensado pelo resultado impressionante. Nem acredito que tudo começou com um material “macio e fofo” contido em coisas um tanto prosaicas e conhecido não só pelos funcionários de laboratórios químicos. As fibras brancas - os chamados copolímeros de poliacrilonitrila - são amplamente utilizadas na indústria têxtil. Fazem parte de tecidos para vestidos, ternos e malhas, tapetes, lonas, estofados e materiais filtrantes. Em outras palavras, os copolímeros de poliacrilonitrila estão presentes sempre que a fibra acrílica é mencionada no rótulo que acompanha. Alguns deles “servem” como plásticos. O mais comum entre eles é o plástico ABS. Acontece que o carbono tem muitos “primos”. O fio de carbono tem uma resistência à tração impressionante, mas sua capacidade de “suportar um golpe” na flexão é prejudicada. Portanto, para igual resistência dos produtos, é preferível usar tecido. As fibras organizadas em uma determinada ordem “ajudam-se” umas às outras a lidar com a carga. não tem essa vantagem. Porém, ao especificar diferentes orientações das camadas, é possível atingir a resistência necessária na direção desejada, economizar significativamente na massa da peça e não fortalecer desnecessariamente locais sem importância.

O que é tecido de carbono?

Para a fabricação de peças de carbono, são utilizados tanto fibra de carbono simples com fios localizados aleatoriamente que preenchem todo o volume do material, quanto tecido (Tecido de Carbono). Existem dezenas de tipos de tecelagem. Os mais comuns são Liso, Sarja, Cetim. Às vezes a tecelagem é condicional - uma fita de fibras localizadas longitudinalmente é “agarrada” com pontos transversais esparsos apenas para não se desfazer. A densidade do tecido, ou gravidade específica, expressa em g/m2, além do tipo de tecelagem, depende da espessura da fibra, que é determinada pelo número de fibras de carbono. Essa característica é um múltiplo de mil. Portanto, a abreviatura 1K significa mil fios em uma fibra. Os tecidos mais comumente usados em automobilismo e tuning são tecidos lisos e sarja com densidade de 150–600 g/m2, com espessuras de fibra de 1K, 2,5K, 3K, 6K, 12K e 24K. O tecido 12K também é amplamente utilizado em produtos militares (cascos e cabeças de mísseis balísticos, pás de rotores de helicópteros e submarinos, etc.), ou seja, onde as peças sofrem cargas colossais.

Existe carbono colorido? Existe carbono amarelo?

Muitas vezes você pode ouvir dos fabricantes de peças de ajuste e, como resultado, dos clientes sobre carbono “prata” ou “colorido”. A cor “prata” ou “alumínio” é apenas uma tinta ou revestimento metálico sobre fibra de vidro. E não é apropriado chamar esse material de carbono - é fibra de vidro. É gratificante que novas ideias continuem a surgir nesta área, mas as características do vidro não podem ser comparadas com as do carvão carbono. Os tecidos coloridos são geralmente feitos de Kevlar. Embora alguns fabricantes também usem fibra de vidro aqui; Tem até viscose e polietileno tingidos. Ao tentar economizar substituindo o Kevlar pelos mencionados fios poliméricos, a adesão desse produto às resinas piora. Não pode haver dúvida de durabilidade dos produtos com esses tecidos. Observe que Kevlar, Nomex e Tvaron são marcas americanas proprietárias de polímeros. Seu nome científico é “aramidas”. Estes são parentes de nylons e nylons. A Rússia tem seus próprios análogos - SVM, Rusar, Terlon SB e Armos. Mas, como muitas vezes acontece, o nome mais “promovido” - “Kevlar” - tornou-se um nome familiar para todos os materiais.

O que é Kevlar e quais são suas propriedades?

Em termos de propriedades de peso, resistência e temperatura, o Kevlar é inferior à fibra de carbono. A capacidade do Kevlar de suportar cargas de flexão é significativamente maior. É justamente por isso que está associado o surgimento de tecidos híbridos, nos quais o carbono e o Kevlar estão contidos de forma aproximadamente igual. Peças com fibras de carbono-aramida percebem melhor a deformação elástica do que produtos de carbono. No entanto, eles também têm desvantagens. O composto Carbono-Kevlar é menos durável. Além disso, é mais pesado e tem “medo” de água. As fibras de aramida tendem a absorver umidade, o que afeta a si mesmas e à maioria das resinas. A questão não é apenas que o “epóxi” seja gradualmente destruído por uma solução de água e sal no nível químico. Aquecendo e resfriando, e geralmente congelando no inverno, a água solta mecanicamente o material da peça por dentro. E mais dois comentários. O Kevlar degrada-se quando exposto à luz ultravioleta e o material moldado na resina perde algumas das suas maravilhosas propriedades. A alta resistência a rasgos e cortes é diferenciada pelo tecido Kevlar apenas em sua forma “seca”. Portanto, as aramidas apresentam suas melhores propriedades em outras áreas. Tapetes costurados com várias camadas desses materiais são o principal componente para a produção de coletes à prova de balas leves e outros equipamentos de segurança. Os fios de Kevlar são usados para tecer cordas de navios finas e fortes, fazer cordas em pneus e usá-los em cintos de transmissão de máquinas e cintos de segurança de carros.

É possível cobrir a peça com fibra de carbono?

O desejo irresistível de ter peças xadrez em preto e preto ou preto e colorido em seu carro levou ao aparecimento de substitutos estranhos de fibra de carbono. As oficinas de tuning cobrem os painéis interiores de madeira e plástico com tecido de carbono e preenchem-nos com inúmeras camadas de verniz, com lixamento entre elas. Cada peça requer quilogramas de materiais e muito tempo de trabalho. Pode-se admirar o trabalho árduo dos mestres, mas esse caminho não leva a lugar nenhum. As “joias” feitas com esta técnica às vezes não suportam mudanças de temperatura. Com o tempo, uma teia de rachaduras aparece e as peças se delaminam. As peças novas relutam em se encaixar em seus lugares originais devido à grande espessura da camada de verniz.

Como são feitos os produtos de carbono e/ou compostos?

A tecnologia de produção destes é baseada nas características das resinas utilizadas. Existem muitos compostos, como são corretamente chamadas as resinas. As resinas de poliéster e epóxi de cura a frio são as mais comuns entre os fabricantes de kits de carroceria de fibra de vidro, mas não conseguem revelar totalmente todas as vantagens da fibra de carbono. Em primeiro lugar, devido à fraca resistência destes compostos de ligação. Se somarmos a isso a baixa resistência a temperaturas elevadas e aos raios ultravioleta, então as perspectivas de uso das marcas mais comuns são muito duvidosas. Um capô de carbono feito com esses materiais terá tempo de amarelar e perder a forma em um mês quente de verão. Aliás, resinas “quentes” não gostam de radiação ultravioleta, portanto, por segurança, as peças devem ser revestidas com pelo menos verniz automotivo transparente.

Compostos de endurecimento a frio.

As tecnologias “frias” para a produção em pequena escala de peças pouco críticas não permitem o desenvolvimento, uma vez que também apresentam outras desvantagens graves. Os métodos de vácuo para a fabricação de compósitos (a resina é alimentada em uma matriz fechada da qual o ar é evacuado) exigem uma preparação demorada do equipamento. Acrescentemos a isso a mistura dos componentes da resina, que “mata” muito tempo, o que também não contribui para a produtividade. Não faz sentido falar em colar à mão. O método de pulverização de fibra picada em uma matriz não permite o uso de tecidos. Na verdade, tudo é idêntico à produção de fibra de vidro. Acontece que se usa carvão em vez de vidro. Mesmo o processo mais automatizado, que também permite trabalhar com resinas de alta temperatura (método de enrolamento), é adequado para uma lista restrita de peças de seção fechada e requer equipamentos muito caros.

As resinas epóxi de cura a quente são mais resistentes, o que permite que as qualidades sejam totalmente reveladas. Para algumas resinas “quentes”, o mecanismo de polimerização à temperatura “ambiente” começa muito lentamente. É nisso que se baseia a chamada tecnologia pré-impregnada, que envolve a aplicação da resina acabada na fibra de carbono muito antes do processo de moldagem. Os materiais preparados ficam simplesmente aguardando nos armazéns.

Dependendo da marca da resina, o tempo no estado líquido geralmente dura de várias horas a várias semanas. Para prolongar a vida útil da mistura, os pré-impregnados preparados às vezes são armazenados em geladeiras. Algumas marcas de resinas “vivem” anos na forma final. Antes de adicionar o endurecedor, as resinas são aquecidas a 50–60 C, após o que, após a mistura, são aplicadas no tecido por meio de equipamentos especiais. Em seguida, o tecido é forrado com filme plástico, enrolado e resfriado a 20–25 C. Dessa forma, o material ficará armazenado por muito tempo. Além disso, a resina resfriada seca e fica praticamente invisível na superfície do tecido. Diretamente durante a fabricação da peça, o ligante aquecido torna-se líquido como a água, com isso se espalha, preenchendo todo o volume do molde de trabalho e o processo de polimerização é acelerado.

Compostos de endurecimento a quente.

Há uma grande variedade de compostos “quentes”, cada um com seus próprios regimes de temperatura e tempo de cura. Normalmente, quanto maior a leitura do termômetro necessária durante o processo de moldagem, mais forte e resistente ao calor será o produto acabado. Com base nas capacidades dos equipamentos disponíveis e nas características exigidas do produto final, você pode não apenas selecionar resinas adequadas, mas também fabricá-las sob encomenda. Alguns fabricantes nacionais oferecem este serviço. Naturalmente, não de graça.

Os pré-impregnados são ideais para a produção de carbono em autoclaves. Antes de carregar na câmara de trabalho, a quantidade necessária de material é cuidadosamente colocada na matriz e coberta com um saco de vácuo em espaçadores especiais. O posicionamento correto de todos os componentes é muito importante, caso contrário não serão evitadas dobras indesejadas formadas sob pressão. Será impossível corrigir o erro posteriormente. Se o preparo fosse feito com aglutinante líquido, tornar-se-ia um verdadeiro teste para o sistema nervoso dos trabalhadores com perspectivas pouco claras de sucesso da operação.

Os processos que ocorrem dentro da instalação são simples. A alta temperatura derrete o ligante e “liga” a polimerização, o saco a vácuo remove o ar e o excesso de resina e o aumento da pressão na câmara pressiona todas as camadas do tecido contra a matriz. E tudo acontece ao mesmo tempo.

Por um lado, existem algumas vantagens. A força disso é quase máxima; objetos das formas mais complexas são feitos de uma só vez. As matrizes em si não são monumentais, pois a pressão é distribuída uniformemente em todas as direções e não viola a geometria do equipamento. O que significa preparação rápida de novos projetos. Por outro lado, o aquecimento até várias centenas de graus e a pressão, às vezes chegando a 20 atm., tornam a autoclave uma estrutura muito cara. Dependendo de suas dimensões, os preços dos equipamentos variam de várias centenas de milhares a vários milhões de dólares. Acrescentemos a isso o consumo implacável de energia elétrica e a complexidade do ciclo produtivo. O resultado são altos custos de produção. Existem, no entanto, tecnologias mais caras e complexas, cujos resultados são ainda mais impressionantes. Materiais compostos de carbono-carbono (CCMs) em discos de freio em carros de Fórmula 1 e em bicos de motores de foguete suportam cargas enormes em temperaturas de operação que chegam a 3.000 C. Esse tipo de carbono é produzido pela grafitização de uma resina termoendurecível, que é impregnada com uma fibra de carbono comprimida em branco. A operação é um tanto semelhante à produção da própria fibra de carbono, só que ocorre a uma pressão de 100 atmosferas. Sim, os grandes desportos e o sector espacial militar são capazes de consumir artigos únicos a preços exorbitantes. Para tuning e, principalmente, para produção em série, tal relação “preço-qualidade” é inaceitável.

Se uma solução for encontrada, ela parece tão simples que você se pergunta: “O que o impediu de pensar nisso antes?” Porém, a ideia de separar os processos que ocorrem em uma autoclave surgiu após anos de pesquisas. Foi assim que surgiu uma tecnologia que começou a ganhar força, tornando a moldagem a quente do carbono semelhante à estampagem. O pré-impregnado é preparado em forma de sanduíche. Após a aplicação da resina, o tecido é revestido nas duas faces com polietileno ou com filme mais resistente ao calor. O “sanduíche” é passado entre dois eixos pressionados um contra o outro. Ao mesmo tempo, o excesso de resina e o ar indesejado são removidos, da mesma forma que quando se girava a roupa nas máquinas de lavar da década de 1960. O pré-impregnado é pressionado na matriz com um punção, que é fixado com conexões roscadas. A seguir, toda a estrutura é colocada em uma cabine de aquecimento.

As empresas de tuning fabricam matrizes da mesma fibra de carbono e até de marcas duráveis de alabastro. Os moldes para trabalhar em gesso, entretanto, têm vida curta, mas são perfeitamente capazes de fabricar alguns produtos. Matrizes mais “avançadas” são feitas de metal e às vezes equipadas com elementos de aquecimento embutidos. Eles são ideais para produção em massa. A propósito, o método também é adequado para algumas partes de uma seção fechada. Neste caso, um punção de espuma leve permanece dentro do produto acabado. A asa Mitsubishi Evo é um exemplo desse tipo.

As forças mecânicas fazem você pensar na resistência do equipamento, e o sistema de punção matricial requer modelagem 3D ou um modelador de primeira classe. Mas isso ainda é centenas de vezes mais barato que a tecnologia de autoclave.

Alexey Romanov editor da revista "TUNING Cars"

A matriz de carbono no compósito desempenha várias funções principais: transmite forças às fibras de reforço, protege-as dos efeitos físicos e químicos do meio ambiente e isola as fibras umas das outras, evitando o seu deslocamento mútuo. O método de formação da matriz de carbono determina seu estado e propriedades da fase estrutural e também afeta significativamente a qualidade do compósito como um todo.

De acordo com isso, são produzidos compósitos de carbono como carbono vítreo e material carbono-carbono - CCCM. Para esses fins, dois métodos principais são mais amplamente utilizados: carbonização de uma pré-forma de fibra de carbono e deposição de pirocarbono da fase gasosa nos poros de uma matriz de fibra de carbono.

O carbono do vidro é formado durante a carbonização de uma peça contendo a resina de fenol-formaldeído amplamente utilizada como aglutinante. Quando aquecido a uma temperatura de 800...1000 0 C em ambiente não oxidante, ocorrem processos de destruição térmica e recombinação dos radicais resultantes, seguidos de cura por policondensação da matriz de coque resultante. Os gases liberados neste caso causam a formação de camadas porosas de carbono vítreo e cristalino. Isto confere ao carbono vítreo um baixo nível de propriedades físicas e mecânicas: densidade de 1650 kg/m 3, resistência à flexão - 132 MPa, módulo de elasticidade - 14,7 GPa, que determinam a utilização do carbono vítreo principalmente para a fabricação de produtos isolantes térmicos.

O compósito UUKM é produzido utilizando o método de carbonização de uma pré-forma de fibra de carbono e a utilização de ciclos adicionais de impregnação com um ligante, bem como a carbonização da matriz de coque resultante por aquecimento sob pressão em autoclave. Desta forma, consegue-se um aumento na densidade e resistência do compósito resultante. Para a mesma finalidade, além da resina fenol-formaldeído, são utilizados compostos de furano, poliimidas, polifenilenos e breus para a fabricação de blanks de fibra de carbono.

O método de deposição do pirocarbono da fase gasosa é realizado devido à difusão e decomposição térmica do gás hidrocarboneto nos poros de uma peça feita de fibras de hidrocarbonetos. O pirocarbono é formado e depositado nas fibras sob alta temperatura no vácuo ou sob pressão em forno elétrico, formando um material compósito de carbono.

Dependendo dos requisitos de qualidade do compósito, diversos métodos tecnológicos para deposição de carbono pirolítico são utilizados.

Deposição isotérmicaé realizado em uma câmara uniformemente aquecida de um forno de indução a uma temperatura de 900...1200 0 C sob uma pressão de 0,13...2 MPa por um longo tempo. Neste caso, é aconselhável obter blanks de paredes finas, pois o carbono preenche principalmente os poros próximos à superfície da peça.

Deposição termodinâmica envolve aquecer a peça de trabalho de um lado, colocando-a em um aquecedor especial e fornecendo gás hidrocarboneto ao seu lado menos aquecido. Nessas condições, a deposição térmica começa no lado mais quente da peça e se espalha com maior velocidade por todo o seu volume. Este processo cria uma alta densidade e resistência do compósito, o que possibilita a obtenção de peças de maior espessura.

Matrizes combinadas compósitos de carbono são formados pela saturação de plástico de fibra de carbono carbonizado com carbono pirolítico sob condições isotérmicas. Esta introdução de carbono pirolítico no material de coque da peça melhora sua densidade, reduzindo a porosidade aberta e aumentando as propriedades termomecânicas. Neste caso, primeiro o carbono pirolítico é aplicado na estrutura de fibra de carbono a uma temperatura de 1100 0 C, depois é impregnado com um ligante polimérico e forma-se um blank de fibra de carbono. Após isso, é carbonizado a uma temperatura de 1000 0 C, seguida da compactação da matriz porosa do coque por deposição de carbono pirolítico.

As propriedades dos compósitos de carbono excedem as dos plásticos reforçados com grafite e fibra de carbono, especialmente em termos de resistência à flexão ( σ e até 640MPa). Sua resistência à tração é de 190 MPa, módulo de elasticidade é de 2,8 GPa, e essas qualidades são preservadas sob condições de aquecimento não oxidantes até uma temperatura de 2.200 o C. Também possuem alta resistência ao choque térmico, baixos valores de coeficiente de expansão térmica e coeficiente de condutividade térmica, alta resistência química e friccional. O uso de compósitos de carbono está associado à fabricação de peças para estruturas de proteção térmica, dispositivos de freio fortemente carregados, engenharia química e engenharia de energia nuclear. Devido às suas melhores qualidades de biocompatibilidade, os compósitos de carbono são utilizados na tecnologia biomédica.

INVENÇÃO
Patente da Federação Russa RU2556673

Campo de atividade (tecnologia) ao qual se refere a invenção descrita

A invenção refere-se a materiais compósitos e, em particular, a materiais compósitos à base de carbono e métodos para sua produção, e pode ser usada nas indústrias de foguetes, espaço e aviação, metalurgia, processamento de pedra natural e outros materiais duros e superduros.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

Os materiais compósitos são materiais multicomponentes constituídos por um polímero, metal, carbono, cerâmica ou outra base (matriz, ligante), reforçados com cargas feitas de fibras, bigodes, partículas finas, etc. sua proporção, a orientação da carga permite obter materiais com a combinação necessária de propriedades operacionais e tecnológicas.

Com base na estrutura da carga, os materiais compósitos são divididos em fibrosos (reforçados com fibras e bigodes), estratificados (reforçados com filmes, placas, cargas em camadas) e reforçados com dispersão ou reforçados com dispersão (com carga na forma de partículas finas ). A matriz em materiais compósitos garante a solidez do material, a transmissão e distribuição de tensões na carga e determina a resistência ao calor, umidade, fogo e produtos químicos.

Com base na natureza do material da matriz, distinguem-se polímero, metal, carbono, cerâmica e outros compósitos.

Os mais utilizados em tecnologia são os materiais compósitos reforçados com fibras contínuas de alta resistência e alto módulo. De particular interesse entre eles são:

Materiais compósitos à base de carbono reforçados com fibras de carbono (carbono - materiais de carbono);

Rnrnrn rnrnrn rnrnrn

Materiais compósitos à base de cerâmica reforçada com carbono, carboneto de silício e outras fibras resistentes ao calor.

Muita atenção é dada à criação de novos materiais compósitos, tanto baseados em materiais conhecidos quanto com base em novas modificações de carbono com outros elementos descobertas recentemente. Torna-se possível projetar materiais com parâmetros especificados, montados a partir de aglomerados atômicos com as propriedades físicas e químicas necessárias.

Atualmente, foi descrita uma forma alotrópica de carbono - o fulereno, que é utilizado, por exemplo, como produto inicial na produção de diamantes (The fullerens, editado por H.W. Kroto, J.E. Fischer, D.E. Cox, PergamonPress, Oxford, NewYork, Seul, Tóquio, 1993).

Um fulereno é uma molécula na qual átomos de carbono (60-240 ou mais) estão interligados de tal forma que formam um corpo oco com formato quase esférico. Por exemplo, a molécula de fulereno C 60 lembra uma bola de futebol; é formada por 20 hexágonos e 12 pentágonos. As distâncias interatômicas na molécula de fulereno C 60 permaneceram quase tão curtas e fortes quanto na camada de grafite (ou seja, no grafeno); o diâmetro da molécula é de cerca de 0,7 nm.

Um material de carbono superduro e um método para sua produção são conhecidos, enquanto a forma alotrópica de carbono - fulereno C 60 (patente RF 2127225, 1996) é usada como material de carbono inicial.

O fulereno C 60 é exposto a uma pressão de 7,5-37 GPa e a uma temperatura selecionada na faixa de 20-1830°C em aparelhos de alta pressão: do tipo “toróide”, do tipo bigorna Bridgman, etc. é exposto à pressão e temperatura, ocorre a polimerização de moléculas ou fragmentos de moléculas de fulereno. Amostras compactas do material possuem altas propriedades mecânicas e elétricas.

No entanto, apesar das elevadas propriedades mecânicas dos materiais superduros descritos, a sua condutividade térmica é extremamente baixa.

Isto, em particular, limita a utilização destes materiais em ferramentas de corte, uma vez que a falta de remoção de calor intensamente gerada na área de contato entre o produto e a ferramenta limita muito o desempenho de tal ferramenta e leva à sua falha por superaquecimento.

Além disso, os aparelhos de alta pressão actualmente conhecidos (7,5-37 GPa) têm volumes pequenos, limitando assim o tamanho do produto que pode ser feito a partir do material obtido em tais aparelhos. Assim, é fácil produzir uma ponta de ferramenta de corte com 1 cm de comprimento, mas não é mais possível produzir um elemento de corpo de aeronave com 1 m de comprimento.

Portanto, os produtos que podem ser feitos a partir do material obtido pelo método conhecido são principalmente pontas para ferramentas de corte.

Rnrnrn rnrnrn rnrnrn

Um material compósito superduro e um método para sua produção são conhecidos (patente RF 2491987, 2011). O método envolve a exposição do componente de carbono inicial a alta pressão e temperatura, para o qual são utilizados diamante e um componente aglutinante, em que o componente de carbono contém adicionalmente fulereno e/ou nanodiamante, e um ou mais componentes selecionados dentre os seguintes são usados como aglutinante componente: liga de bronze de silício, liga monel, liga dura.

A produção do material é realizada em duas etapas, na primeira das quais a mistura dos componentes iniciais é exposta a uma pressão dinâmica de 10-50 GPa a uma temperatura de 900-2000°C, e na segunda o material resultante é colocado num aparelho de alta pressão e submetido a uma pressão estática de 5 a 15 GPa e aquecido a uma temperatura de 700-1700°C durante pelo menos 20 segundos.

O método conhecido permite obter um material de carbono com alta microdureza, elasticidade e maior resistência ao desgaste, o que possibilita sua utilização nas indústrias de mineração, pedra e metalmecânica.

Porém, os aparelhos de alta pressão atualmente conhecidos (7,5-37 GPa) possuem pequenos volumes, limitando assim o tamanho do produto que pode ser feito a partir do material obtido em tais aparelhos, o que não permite a utilização do material descrito no indústrias de foguetes, espaço e aviação

A liga de alumínio B95 é conhecida, bem como um compósito à base de fibras de carbono e resina epóxi, que são exemplos de material resistente e leve. Esses materiais têm o maior índice de resistência - / cerca de 200 (índice de resistência - a relação entre resistência à tração ou flexão transversal (em unidades de MPa) e densidade (em unidades de g/cm 3) /)

No entanto, ambos os materiais não são altamente duros (dureza inferior a 1-2 GPa) e, além disso, resistentes ao calor (temperatura de funcionamento inferior a 200°C).

Os materiais compósitos carbono-carbono conhecidos são fortes e resistentes ao calor, mas não são altamente duros (Materiais compostos. Manual editado por V.V. Vasiliev, Yu.M. Tarnopolsky. - M., 1990).

Outro material bem conhecido é o carboneto de boro, o B4C é leve (densidade 2,52 g/cm 3), altamente duro (dureza cerca de 35 GPa) e resistente ao calor (temperatura operacional de até 2.000 ° C), mas é extremamente frágil, portanto o especificado parâmetro / é quase impossível determiná-lo (Samsonov G.V., Kosolapova T.Ya., Domasevich L.T. Propriedades, métodos de produção e áreas de aplicação de carbonetos refratários e ligas baseadas neles. - Kiev, 1974).

Trabalho conhecido (Fases desordenadas duras produzidas no tratamento de alta pressão e alta temperatura de 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 e G. Kremkova Carbon, V. 36, P 1263-1267 (1998)), que descreve um método para produzir material de carbono de alta dureza (com uma dureza entre 10 GPa e BN cúbico (50 GPa)) a partir de fulereno molecular C 60 e este próprio material, chamado no trabalho de material de carbono desordenado reticulado em camadas. Material de carbono desordenado reticulado em camadas de alta dureza (com uma dureza de 10-50 GPa), doravante denominado fulerita VT, é obtido em aparelhos de alta pressão (a 7-8 GPa e aquecimento de 600-1600°C).

A densidade da fulerita VT é de cerca de 2,1 g/cm3 e a dureza H, conforme observado acima, é superior a 10 GPa. Utilizando as relações conhecidas entre resistência e dureza, para a fulerita VT pode-se esperar que o valor do parâmetro indicado / seja superior a 1000.

Além da alta dureza, a fulerita VT tem o efeito de restauração elástica quase completa da indentação após indentação, o que indica suas propriedades mecânicas únicas quando usada como material estrutural.

E os aparelhos de alta pressão actualmente conhecidos (7,5-37 GPa) têm pequenos volumes, limitando assim o tamanho do produto que pode ser feito a partir do material obtido em tais aparelhos.

Assim, o material conhecido também não pode ser utilizado como material estrutural nas indústrias de foguetes, espaço e aviação.

Além disso, durante a formação da fulerita VT a partir do fulereno C 60, ocorre um salto significativo no volume: a densidade do fulereno inicial é de 1,7 g/cm 3, enquanto a densidade da fulerita VT é de 2,1 g/cm 3, que como O resultado leva a tensões significativas na amostra e, como resultado, à sua fissuração. A baixa condutividade térmica do fulereno original (0,4 W/mK) e da fulerita VT (cerca de 10 W/mK) leva a grandes gradientes de temperatura durante a síntese, o que também leva à quebra da amostra.

No pedido de invenção de materiais compósitos contendo uma fase ligante de carbono nanoestruturada e processo de alta pressão V. Kear, O. Voronov. Na US 2005/0186104 datada de 23 de março de 2004, os autores propuseram um material compósito que consiste em uma fase matriz e uma fase aglutinante. Como fase ligante, foram propostos materiais obtidos a partir do fulereno por tratamento termobárico de uma mistura de fulereno e fase matriz. Foi proposto o uso de vários carbonetos, boretos e óxidos, bem como diamante e fibras de carbono como fase matriz. O trabalho afirma que materiais de alta resistência podem ser obtidos a partir do fulereno em pressões abaixo de 7 GPa.

Rnrnrn rnrnrn rnrnrn

No entanto, esta afirmação não é confiável. Como mostraram estudos realizados pelos autores, materiais de alta resistência (bem como de alta dureza, com dureza acima de 10 GPa) são obtidos a partir do fulereno C 60 apenas em aparelhos de alta pressão a 7-8 GPa e aquecimento 600-1600 ° C, o que, conforme observado acima, não permite a obtenção de material para produtos com tamanho superior a alguns centímetros, o que impossibilita a utilização deste material como material estrutural nas indústrias de foguetes, espaço e aviação.

A solução técnica mais próxima da reivindicada é o método acima mencionado para produzir um material compósito superduro (patente RF 2491987, 2011). O método inclui a exposição do componente de carbono inicial, que é diamante, a alta pressão e temperatura, e um componente de ligação, em que o componente de carbono contém adicionalmente fulereno e/ou nanodiamante, e um ou mais componentes selecionados dentre os seguintes são usados como um componente de ligação componente: liga de bronze de silício, liga de monel, carboneto.

Porém, apesar do material conhecido apresentar microdureza, elasticidade e maior resistência ao desgaste, é muito frágil e, devido ao volume limitado das câmaras de alta pressão atualmente existentes, não pode ser obtido com dimensões superiores a 1 cm.

Assim, as soluções técnicas atualmente conhecidas não permitem obter simultaneamente materiais estruturais compósitos à base de carbono fortes, leves, de elevada dureza e resistentes ao calor.

O objetivo técnico da presente invenção é proporcionar a possibilidade de obtenção de um material compósito à base de carbono com baixa densidade, alta resistência à flexão lateral, alta dureza e resistência ao calor e produtos feitos a partir dele com tamanho característico de 1-100 cm (. O termo “tamanho característico”, neste caso, refere-se às dimensões típicas de produtos que podem ser fabricados a partir do material compósito proposto.)

O objetivo da presente invenção é criar um método para produzir um material compósito à base de carbono de alta resistência, alta dureza, resistente ao calor e leve, adequado para a fabricação de produtos a partir dele com tamanho característico de 1-100 cm. , que pode ser usado simultaneamente nas indústrias de foguetes, espaço e aviação, e na metalurgia, processamento de pedra natural e outros materiais duros e superduros.

Para este propósito, foi proposto um método para produzir um material compósito à base de carbono, que inclui a exposição de uma mistura de material contendo carbono e carga à pressão e temperatura, enquanto um composto contendo enxofre é adicionado à mistura, e o efeito é realizado a uma temperatura de 600-2.000 graus e uma pressão de 0,1-20 GPa.

De preferência, o composto contendo enxofre é adicionado numa quantidade de 0,1 a 3% em peso, calculado como enxofre, em peso do material contendo carbono.

Neste caso, o dissulfeto de carbono, ou um composto do grupo mercaptano, ou um produto da interação de um composto do grupo mercaptano com enxofre elementar é usado como composto contendo enxofre.

O fulereno molecular C 60 ou fuligem contendo fulereno é usado como material contendo carbono.

É preferível que o carboneto de boro seja utilizado como carga numa quantidade de 30 a 70% em peso do material contendo carbono.

É preferível que o enchimento seja fibras de carbono, ou diamante, ou nitretos, ou carbonetos, ou boretos, ou óxidos numa quantidade de 1 a 99% em peso do material contendo carbono.

É preferível que a exposição seja realizada a uma temperatura de 800-1200 graus e a uma pressão de 0,5-10 GPa.

O material compósito obtido pelo método de acordo com qualquer um dos pontos 1 a 8 também é oferecido para proteção.

É preferível que o material compósito seja destinado à fabricação de produtos a partir dele com tamanho característico de 1 a 100 cm.

Sabe-se que as elevadas propriedades mecânicas dos materiais compósitos à base de carbono são devidas à formação de ligações químicas entre as fases matriz e ligante.

Porém, como já foi observado, atualmente é possível obter um material compósito com boas propriedades mecânicas apenas em aparelhos de alta pressão (a 5-15 GPa), onde o processo de síntese garante a resistência (devido à formação de ligações químicas) da conexão das fases de matriz e ligação. Em pressões mais baixas, tanto a resistência das fases da matriz quanto a resistência de ligação das fases da matriz e do ligante são extremamente baixas, e tal material compósito não terá quaisquer valores de resistência significativos sob condições de tensão de tração (resistência à tração ou flexão).

Como a pesquisa dos autores mostrou, foi possível selecionar elementos que iniciam a formação de ligações químicas tanto entre as moléculas C 60 quanto entre o C 60 e outros componentes do material compósito em pressões e temperaturas mais baixas. Além de inicializar a reação de polimerização C 60 - 3D (ou seja, tridimensional, quando ligações covalentes conectando moléculas C 60 são formadas em todas as direções), tal substância deve ser distribuída uniformemente por todo o volume do material de partida. Se tal inicializador for distribuído uniformemente por todo o fulereno no compósito, então podemos esperar um curso mais uniforme do processo de formação do compósito (acompanhado pela formação de ligações químicas) e, como resultado, uma distribuição mais uniforme de características físicas e mecânicas. propriedades no composto resultante. De acordo com a pesquisa dos autores, este pode ser um composto contendo enxofre selecionado do grupo: dissulfeto de carbono ou um composto do grupo mercaptano, em particular isoamil mercaptano, ou um produto da interação de um composto do grupo mercaptano com elementar enxofre.

Descobriu-se que, entre esse grupo, o dissulfeto de carbono CS 2 satisfaz mais plenamente esses requisitos. O dissulfeto de carbono CS 2 tem potencialmente essas duas propriedades. Na verdade, sob condições de sinterização de um material compósito, ele se decompõe com a liberação de enxofre elementar (Tonkov EY, High Pressure Phase Transformations Handbook Vol. 1. Amsterdã: OPA; 1992). Devido à sua alta afinidade com o carbono, os átomos de enxofre (após a decomposição do CS 2) formarão ligações covalentes CS com o fulereno e transformarão a molécula de fulereno em um radical, que, por sua vez, inicia a formação de ligações com moléculas circundantes ou outros componentes de o material. Além disso, CS 2 é um bom solvente para o fulereno molecular C 60 e, portanto, penetra facilmente no cristal molecular do C 60 original. Assim, os átomos de enxofre podem ser distribuídos uniformemente por todo o espaço ocupado pelo fulereno. Como tais centros de inicialização estão distribuídos uniformemente por todo o volume ocupado pelo fulereno, o resultado é um produto isotrópico.

A carga desempenha um papel significativo na síntese de materiais compósitos. Ao formar uma matriz a partir do fulereno C 60, ocorre um salto significativo no volume: a densidade do fulereno inicial é 1,7 g/cm 3, enquanto a densidade da matriz é 2,1 g/cm 3, o que como resultado leva a tensões significativas na amostra e, como consequência, sua fissuração. Além disso, a baixa condutividade térmica do fulereno original (0,4 W/mK) e da matriz obtida a partir dele (cerca de 10 W/mK) leva a grandes gradientes de temperatura durante a síntese, o que também leva à quebra da amostra. A carga, devido à deformação elástica e maior condutividade térmica, neutraliza os efeitos acima, o que permite obter um material compósito sem fissuras.

Para caracterizar a estrutura das amostras obtidas, foi utilizado o conhecido método de estudo de difração de raios X.

Para controlar a composição elementar das amostras obtidas, utilizou-se a análise utilizando métodos conhecidos de espectroscopia de energia dispersiva e de onda utilizando um microscópio eletrônico de varredura.

Para caracterizar as propriedades mecânicas, a dureza e a resistência à flexão foram medidas utilizando métodos conhecidos.

A dureza foi medida usando uma pirâmide Vickers ou Knupp de acordo com GOST 9450-76.

As medições de resistência à tração durante a flexão transversal foram realizadas usando um esquema de flexão de três pontos de acordo com GOST 20019-74.

Os módulos elásticos foram determinados usando o método ultrassônico conhecido.

Os valores dos módulos elásticos permitem julgar as ligações entre os componentes do compósito. Módulos elásticos elevados indicam a presença de uma ligação química entre a carga e o material de carbono obtido como resultado da síntese.

A densidade das amostras foi medida pelo método conhecido de pesagem hidrostática.

O parâmetro final, amplamente utilizado em tecnologia, pelo qual se avaliam as perspectivas de utilização do material resultante nas indústrias de foguetes, espaço e aviação, é a relação resistência-densidade /.

A resistência ao calor da amostra foi determinada pelo método conhecido de análise termogravimétrica.

Na FIG. A Figura 1 mostra os resultados da medição da resistência à flexão transversal de uma amostra de um material compósito sintetizado a partir de uma mistura de C 60 e B 4 C (na proporção de 50/50% em peso) na presença de CS 2 a uma pressão de 2 GPa e uma temperatura de 1000°C. Resistência máxima durante flexão transversal = 570 MPa.

Na FIG. A Figura 2 mostra os resultados da medição da resistência à compressão de uma amostra de um material compósito sintetizado a partir de uma mistura de C 60 e B 4 C (na proporção de 50/50% em peso) na presença de CS 2 a uma pressão de 2 GPa e uma temperatura de 1000°C. Resistência final à compressão compressão = 2250 MPa.

Na FIG. A Figura 3 apresenta os resultados da análise termogravimétrica de amostras realizadas até 1400°C em ar. A curva inferior corresponde a uma amostra de material compósito sintetizado a partir de uma mistura de C 60 e B 4 C (na proporção de 50/50% em peso) na presença de CS 2 a uma pressão de 2 GPa e uma temperatura de 1000 °C. A curva superior corresponde ao pó inicial de carboneto de boro.

Os exemplos seguintes ilustram a invenção sem limitar a sua essência.

Exemplo 1. Preparação de um material compósito de acordo com a invenção a uma pressão de 0,1 GPa.

Para isso, a mistura é carregada em uma câmara de alta pressão do tipo pistão-cilindro, carregada a uma pressão fixa de 0,1 GPa e aquecida a uma temperatura de 1000°C com um tempo de retenção de 100 s. Após o descarregamento, a amostra é examinada por difração de raios X, espectroscopia Raman, microscópio eletrônico de transmissão, análise termogravimétrica e examinadas suas propriedades mecânicas.

Rnrnrn rnrnrn rnrnrn

As medições da resistência última durante a flexão transversal, realizadas de acordo com o esquema de flexão de três pontos (GOST 20019-74), fornecem o valor da resistência máxima durante a flexão transversal *flexão = 400 MPa.

A densidade é medida por pesagem hidrostática. A densidade da amostra é 2,20 g/cm3.

O parâmetro especificado */ =180, ou seja, o material resultante é superior a muitos materiais usados nas indústrias de foguetes, espaço e aviação.

Exemplo 2. Preparação de um material compósito de acordo com a invenção a uma pressão de 0,5 GPa.

Pó de carboneto de boro B 4 C (com tamanho médio de grão de 100 nm) na quantidade de 1 g é misturado com pó de fulereno molecular C 60 (com tamanho médio de grão de 1 μm) na quantidade de 1 g (em peso proporção de 50/50%) em um moinho vibratório.

Dissulfeto de carbono CS 2 é adicionado à mistura resultante de C 60 e B 4 C na quantidade de 0,05 ml de CS 2 por 1 g de mistura. Em seguida, a mistura de C 60, B 4 C e CS 2 é triturada em almofariz de ágata até obter uma consistência homogênea e utilizada na confecção de amostras.

Para isso, a mistura é carregada em uma câmara de alta pressão do tipo pistão-cilindro com diâmetro de trabalho de 100 mm, carregada a uma pressão fixa de 0,5 GPa e aquecida a uma temperatura de 1000°C com um tempo de retenção de 100 seg. A amostra resultante tem um diâmetro de 100 mm. A partir de amostras deste tamanho é possível fazer, nomeadamente, um escudo térmico ou uma pá de turbina.

Após o descarregamento, a amostra é examinada por difração de raios X, espectroscopia Raman, microscópio eletrônico de transmissão, análise termogravimétrica e examinadas suas propriedades mecânicas.

A dureza é medida usando uma pirâmide Vickers ou Knupp (GOST 9450-76). A dureza do material obtido neste exemplo está na faixa de 10 a 70 GPa e o material é altamente duro.

A análise elementar é realizada por espectroscopia de energia dispersiva e de onda usando um microscópio eletrônico de varredura. A análise elementar realizada mostra que a presença de enxofre no material resultante é inferior a 0,01%, ou seja, o enxofre é removido do material resultante durante o processo de síntese.

A densidade é medida por pesagem hidrostática. A densidade da amostra é 2,23 g/cm3.

O parâmetro especificado */ =220, ou seja, o material resultante é superior a muitos materiais usados nas indústrias de foguetes, espaço e aviação.

Os módulos elásticos são determinados pelo método ultrassônico. Os valores médios dos módulos elásticos da amostra são: módulo de Young E=150 GPa, módulo bulk K=110 GPa, módulo de cisalhamento G=60 GPa. Módulos elásticos elevados indicam a presença de uma ligação química entre o carboneto de boro e o material de carbono obtido como resultado da síntese.

A análise termogravimétrica da amostra, realizada até 1400°C ao ar, mostrou um aumento de peso de cerca de 3%, a partir da temperatura de 800°C, o que está associado à oxidação do carboneto de boro. Em geral, a amostra revelou-se resistente ao calor.

Assim, o material compósito da amostra resultante é ao mesmo tempo forte, leve, altamente duro e resistente ao calor.

Exemplo 3. Preparação de um material compósito de acordo com a invenção a uma pressão de 2 GPa.

Pó de carboneto de boro B 4 C (com tamanho médio de grão de 100 nm) na quantidade de 1 g é misturado com pó molecular C 60 (com tamanho médio de grão de 1 μm) na quantidade de 1 g (em uma proporção de peso de 50/50%) em moinho vibratório. Dissulfeto de carbono CS 2 é adicionado à mistura resultante de C 60 e B 4 C na quantidade de 0,05 ml de CS 2 por 1 g de mistura. Em seguida, a mistura de C 60, B 4 C e CS 2 é triturada em almofariz de ágata até obter uma consistência homogênea e utilizada na confecção de amostras. Para isso, a mistura é carregada em uma câmara de alta pressão do tipo pistão-cilindro, carregada a uma pressão fixa de 2 GPa e aquecida a uma temperatura de 1000°C com um tempo de retenção de 100 s. Após o descarregamento, a amostra é examinada por difração de raios X, espectroscopia Raman, microscópio eletrônico de transmissão, análise termogravimétrica e examinadas suas propriedades mecânicas.

As medições da resistência última na flexão transversal, realizadas de acordo com o esquema de flexão de três pontos (GOST 20019-74), fornecem o valor da resistência máxima na flexão transversal * flexão = 570 MPa (Fig. 1) e a resistência à compressão de 2250 MPa (Fig. 2).

O parâmetro especificado */ =250.

Os módulos elásticos são determinados pelo método ultrassônico. Os valores médios dos módulos elásticos da amostra são: módulo de Young E = 190 GPa, módulo bulk K = 120 GPa, módulo de cisalhamento G = 75 GPa. Módulos elásticos elevados indicam a presença de uma ligação química entre o carboneto de boro e o material de carbono obtido como resultado da síntese.

A análise termogravimétrica da amostra, realizada até 1400°C ao ar, mostrou um aumento de peso de cerca de 3%, a partir da temperatura de 600°C, o que está associado à oxidação do carboneto de boro (Fig. 3, curva inferior ). Em geral, a amostra revelou-se resistente ao calor. Para comparação, na Fig. A Figura 3 mostra os dados da análise termogravimétrica do pó de carboneto de boro original, realizada nas mesmas condições. Neste último caso, observa-se um aumento de massa de cerca de 100%, associado à oxidação, apesar do carboneto de boro ser um material resistente ao calor (Fig. 3, curva superior). Consequentemente, um aumento significativo na resistência ao calor é observado no material compósito em relação ao B 4 C original.

Assim, o material compósito da amostra resultante é ao mesmo tempo forte, leve, altamente duro e resistente ao calor.

Exemplo 4. Preparação de um material compósito a uma temperatura de 600-2000°C de acordo com a invenção.

Várias amostras são feitas. Para fazer isso, o pó de carboneto de boro B 4 C (com tamanho médio de grão de 100 nm) é misturado com pó molecular C 60 (com tamanho médio de grão de 1 μm) em uma proporção em peso de 30/70% e 70/30 % em um moinho vibratório. O peso total da mistura em cada caso é de 2 g. Dissulfeto de carbono CS 2 é adicionado à mistura resultante de C 60 e B 4 C na quantidade de 0,05 ml de CS 2 por 1 g da mistura. Em seguida, a mistura de C 60, B 4 C e CS 2 é triturada em almofariz de ágata até obter uma consistência homogênea e utilizada na confecção de amostras. Para fazer isso, a mistura é carregada em uma câmara de alta pressão do tipo pistão-cilindro, carregada a uma pressão fixa de 1 GPa e aquecida a uma temperatura fixa com um tempo de retenção fixo na temperatura especificada. As amostras foram obtidas nas temperaturas de 600, 700, 800, 900, 1000, 1100, 1200, 1300, 1400, 1500, 1600 e 2000°C com tempos de retenção de 0,1, 1, 10, 30, 60, 120 e 180 s. Após o descarregamento, as amostras são examinadas por difração de raios X, espectroscopia Raman, microscópio eletrônico de transmissão, análise termogravimétrica e propriedades mecânicas.

A dureza é medida usando uma pirâmide Vickers ou Knupp (GOST 9450-76). A dureza das amostras obtidas está na faixa de 10-70 GPa, e o material é altamente duro.

A análise elementar é realizada por espectroscopia de energia dispersiva e de onda usando um microscópio eletrônico de varredura. A análise elementar realizada mostra que a presença de enxofre no material é inferior a 0,01%, ou seja, o enxofre é removido do material resultante durante o processo de síntese.

As medições da resistência à tração durante a flexão transversal são realizadas de acordo com o esquema de flexão de três pontos (GOST 20019-74). A densidade é medida por pesagem hidrostática. O parâmetro especificado */ das amostras obtidas não é inferior a 200. As amostras são estáveis pelo menos até 1400°C.

Exemplo 5. Preparação de um material compósito de acordo com a invenção, onde fuligem contendo fulereno é usada como material contendo carbono.

Pó de carboneto de boro B 4 C (com tamanho médio de grão de 100 nm) na quantidade de 1 g é misturado com pó de negro de fumo contendo fulereno (com tamanho médio de grão de 1 mícron) com teor de C de 60 60% em uma quantidade de 1 g (numa proporção em peso de 50/50%) num moinho vibratório. Dissulfeto de carbono CS 2 é adicionado à mistura resultante de fuligem contendo fulereno e B 4 C na quantidade de 0,05 ml de CS 2 por 1 g de mistura. Em seguida, uma mistura de fuligem contendo fulereno, B 4 C e CS 2 é moída em um almofariz de ágata até obter uma consistência homogênea e utilizada para fazer amostras. Para isso, a mistura é carregada em uma câmara de alta pressão do tipo pistão-cilindro, carregada a uma pressão fixa de 1 GPa e aquecida a uma temperatura de 1000°C com um tempo de retenção de 100 s. Após o descarregamento, as propriedades mecânicas da amostra são examinadas.

A dureza é medida usando uma pirâmide Vickers ou Knupp (GOST 9450-76). A dureza do material obtida pelos autores está na faixa de 10-70 GPa, e o material é altamente duro.

As medições da resistência à tração durante a flexão transversal são realizadas de acordo com o esquema de flexão de três pontos (GOST 20019-74). A densidade é medida por pesagem hidrostática. O parâmetro especificado */ das amostras obtidas é 100. As amostras são estáveis pelo menos até 1400°C.

Assim, o material compósito das amostras obtidas é ao mesmo tempo forte, leve, altamente duro e resistente ao calor.

Exemplo 6. Preparação de um material compósito de acordo com a invenção.

Várias amostras são preparadas para isso, cada um dos pós de diamante, carboneto de silício SiC, nitreto de alumínio AlN, óxido de alumínio Al 2 O 3, dióxido de zircônio ZrO 2 na quantidade de 1 g é misturado com pó molecular C 60 na quantidade; de 1 g (numa proporção em peso de 50/50%) num moinho vibratório. Dissulfeto de carbono CS 2 é adicionado à mistura resultante de C 60 e cada um dos pós indicados (SiC, AlN, Al 2 O 3 e ZrO 2) na quantidade de 0,05 ml de CS 2 por 1 g de mistura. Em seguida, a mistura obtida com a adição de CS 2 é triturada em almofariz de ágata até obter uma consistência homogênea e utilizada na confecção de amostras. Para isso, cada uma das misturas é carregada em uma câmara de alta pressão do tipo pistão-cilindro, carregada a uma pressão fixa de 1 GPa e aquecida a uma temperatura de 1000°C com um tempo de retenção de 100 s. Após o descarregamento, as propriedades mecânicas das amostras são examinadas.

Assim, o material compósito das amostras obtidas é ao mesmo tempo forte, leve, altamente duro e resistente ao calor.

Exemplo 7. Preparação de um material compósito de acordo com a invenção, onde fibras de carbono são utilizadas como material contendo carbono.

Dissulfeto de carbono CS 2 é adicionado ao pó molecular C 60 na quantidade de 0,05 ml de CS 2 por 1 g de C 60. Em seguida, a mistura é moída em pilão de ágata até obter uma consistência homogênea. Fibras de carbono são adicionadas à mistura resultante em uma proporção em peso de 50% para fulereno C 60 e misturadas completamente com uma espátula. Em seguida, a mistura na quantidade de 2 g é carregada em uma câmara de alta pressão do tipo pistão-cilindro, carregada a uma pressão fixa de 2 GPa e aquecida a uma temperatura de 1000°C com um tempo de retenção de 100 s. Após o descarregamento, as propriedades mecânicas das amostras são examinadas.

A dureza é medida usando uma pirâmide Vickers ou Knupp (GOST 9450-76). A dureza do material resultante está na faixa de 10 a 70 GPa e o material é altamente duro.

As medições da resistência à tração durante a flexão transversal são realizadas de acordo com o esquema de flexão de três pontos (GOST 20019-74). A densidade é medida por pesagem hidrostática. O parâmetro especificado */ das amostras obtidas não é inferior a 100. As amostras são estáveis pelo menos até 1000°C.

Assim, o material compósito das amostras obtidas é ao mesmo tempo forte, leve, altamente duro e resistente ao calor.

Exemplo 8. Preparação de um material compósito de acordo com a invenção, onde se utiliza nitreto cúbico de boro como carga.

Pó de nitreto cúbico de boro c-BN (com tamanho de grão médio de cerca de 1 μm) em uma quantidade de 1 g é misturado com pó molecular C 60 (com tamanho de grão médio de 1 μm) em uma quantidade de 1 g (em um proporção em peso de 50/50%) em um moinho vibratório. Dissulfeto de carbono CS 2 é adicionado à mistura resultante de C 60 e c-BN na quantidade de 0,05 ml de CS 2 por 1 g de mistura. Em seguida, a mistura de C 60, c-BN e CS 2 é triturada em almofariz de ágata até obter uma consistência homogênea e utilizada na confecção de amostras. Para isso, a mistura é carregada em uma câmara de alta pressão do tipo pistão-cilindro, carregada a uma pressão fixa de 2 GPa e aquecida a uma temperatura de 1000°C com um tempo de retenção de 100 s. Após o descarregamento, a amostra é examinada por difração de raios X, espectroscopia Raman, microscópio eletrônico de transmissão e suas propriedades mecânicas são examinadas.

A dureza é medida usando uma pirâmide Vickers ou Knupp (GOST 9450-76). A dureza do material obtida pelos autores está na faixa de 10-70 GPa, e o material é altamente duro.

A análise elementar é realizada por espectroscopia de energia dispersiva e de onda usando um microscópio eletrônico de varredura. A análise elementar realizada mostra que a presença de enxofre no material é inferior a 0,01%, ou seja, o enxofre é removido do material resultante durante o processo de síntese.

A densidade é medida por pesagem hidrostática. A densidade da amostra é 2,8 g/cm3.

As amostras são estáveis até pelo menos 1400°C em uma atmosfera protetora.

Assim, o material compósito das amostras obtidas é ao mesmo tempo forte, leve, altamente duro e resistente ao calor.

Exemplo 9. Preparação de um material compósito a temperaturas fora da faixa de temperatura de 600-2000°C.

Várias amostras são feitas. Para fazer isso, o pó de carboneto de boro B 4 C (com tamanho médio de grão de 100 nm) é misturado com pó molecular C 60 (com tamanho médio de grão de 1 μm) em uma proporção em peso de 50/50% em um moinho vibratório. . O peso total da mistura em cada caso é de 2 g. Dissulfeto de carbono CS 2 é adicionado à mistura resultante de C 60 e B 4 C na quantidade de 0,05 ml de CS 2 por 1 g da mistura. Em seguida, a mistura de C 60, B 4 C e CS 2 é triturada em almofariz de ágata até obter uma consistência homogênea e utilizada na confecção de amostras. Para fazer isso, a mistura é carregada em uma câmara de alta pressão do tipo pistão-cilindro, carregada a uma pressão fixa de 2 GPa e aquecida a uma temperatura fixa com um tempo de retenção fixo na temperatura especificada. As amostras foram obtidas nas temperaturas de 400 e 2400°C com tempo de espera de 100 s. Após descarregar a amostra, suas propriedades mecânicas são examinadas.

Exemplo 10. Preparação de um material compósito fora da faixa de pressão de 0,1-20 GPa.

Para fazer isso, a mistura é carregada em uma câmara de alta pressão do tipo pistão-cilindro, carregada a uma pressão fixa de 0,05 GPa (obter amostras em pressões acima de 20 GPa parece tecnicamente difícil) e aquecida a uma temperatura de 1000°C. com tempo de espera de 100 s. Após descarregar a amostra, suas propriedades mecânicas são examinadas.

A dureza é medida usando uma pirâmide Vickers ou Knupp (GOST 9450-76). A dureza das amostras obtidas apresenta valores inferiores a 10 GPa, e o material não é altamente duro.

Assim, o material compósito das amostras obtidas não é altamente duro.

Exemplo 11. Preparação de um material compósito de acordo com a invenção utilizando mercaptano ou tiol em vez de dissulfureto de carbono.

Isoamilmecaptano C 5 H 11 SH ou tiol C 6 H 5 SH é adicionado à mistura resultante de C 60 e B 4 C na quantidade de 0,05 ml de C 5 H 11 SH ou C 6 H 5 SH por 1 g da mistura . Em seguida, a mistura de C 60, B 4 C e C 5 H 11 SH ou C 6 H 5 SH é moída em almofariz de ágata até obter uma consistência homogênea e utilizada na confecção de amostras.

Para isso, a mistura é carregada em uma câmara de alta pressão do tipo pistão-cilindro, carregada a uma pressão fixa de 2 GPa e aquecida a uma temperatura de 1000°C com um tempo de retenção de 100 s. Após descarregar a amostra, suas propriedades mecânicas são examinadas.

A dureza é medida usando uma pirâmide Vickers ou Knupp (GOST 9450-76). A dureza do material obtida pelos autores está na faixa de 10-70 GPa, e o material é altamente duro.

A densidade é medida por pesagem hidrostática. A densidade da amostra é 2,3 g/cm3.

O parâmetro especificado */ =230.

A análise termogravimétrica da amostra, realizada até 1400°C ao ar, mostrou que a amostra revelou-se resistente ao calor.

Assim, o material compósito da amostra resultante é ao mesmo tempo forte, leve, altamente duro e resistente ao calor.

Alegar

1. Método para produzir um material compósito à base de carbono, incluindo a exposição de uma mistura de material contendo carbono e enchimento à pressão e temperatura, caracterizado pelo fato de que um composto contendo enxofre é adicionado à mistura, e o efeito é realizado em uma temperatura de 600-2.000 graus e uma pressão de 0,1-20 GPa.

2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o composto contendo enxofre é adicionado em uma quantidade de 0,1 a 3% em massa em termos de enxofre com base no peso do material contendo carbono.

3. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que dissulfeto de carbono é usado como composto contendo enxofre.

4. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que um composto do grupo dos mercaptanos ou um produto da reação de um composto do grupo dos mercaptanos com enxofre elementar é utilizado como composto contendo enxofre.

5. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o fulereno molecular C 60 é usado como material contendo carbono.

6. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que fuligem contendo fulereno é usada como material contendo carbono.

7. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o carboneto de boro é usado como carga em uma quantidade de 30 a 70% em massa do peso do material contendo carbono.

8. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que fibras de carbono, ou diamante, ou nitretos, ou carbonetos, ou boretos, ou óxidos são usados como carga em uma quantidade de 1 a 99% em massa do peso do carbono- contendo material.

9. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o efeito é preferencialmente realizado a uma temperatura de 800-1200 graus e uma pressão de 0,5-10 GPa.

10. Material compósito obtido pelo método de acordo com qualquer um dos parágrafos. 1-9.

11. Material compósito de acordo com a reivindicação 10, caracterizado por se destinar à fabricação de produtos a partir dele com tamanho característico de 1 a 100 cm.

Nome do inventor: Blank Vladimir Davydovich (RU), Mordkovich Vladimir Zalmanovich (RU), Ovsyannikov Danila Alekseevich (RU), Perfilov Sergey Alekseevich (RU), Pozdnyakov Andrey Anatolyevich (RU), Popov Mikhail Yurievich (RU), Prokhorov Vyacheslav Maksimovich (RU)
Nome do titular da patente: Instituição Científica Orçamentária do Estado Federal "Instituto Tecnológico de Materiais Superduros e Novos Carbonos" (FGBNU TISNUM) (RU)
Endereço postal para correspondência: 125502, Moscou, st. Lavochkina, 50, prédio 1, apto. 24, Tsetovich N.L.
Data de início da patente: 29.04.2014

Carbono – as fibras de carbono são chamadas de CMs, que são uma matriz de carbono reforçada com fibras ou tecidos de carbono. Propriedades físicas e químicas semelhantes proporcionam uma forte ligação entre as fibras e a matriz e as propriedades únicas destes CMs. As propriedades mecânicas destes CMs dependem em grande parte do esquema de reforço (sin pode variar de 100 a 1000 MPa). O melhor arranjo das fibras reforçadas é considerado quando elas estão localizadas em três ou mais direções.

Carbono - os CMs de carbono possuem baixa densidade (1,3...2 t/m 3), baixa capacidade calorífica, resistência a choque térmico, erosão e irradiação; baixos coeficientes de atrito e expansão linear; alta resistência à corrosão; ampla gama de propriedades elétricas; alta resistência e rigidez. Esta é sem dúvida a vantagem destes materiais. Em CMs carbono-carbono, com o aumento da temperatura, a resistência e o módulo de elasticidade aumentam 1,5...2 vezes.

As desvantagens incluem uma tendência à oxidação quando aquecido a temperaturas acima de 500 °C em um ambiente oxidante. Em um ambiente inerte e no vácuo, os CMs carbono-carbono operam até 3.000 °C.

A matéria-prima das matrizes são resinas orgânicas sintéticas com alto resíduo de coque (fenol-formaldeído, furano, epóxi, etc.). As resinas termoendurecíveis apresentam boas propriedades de impregnação. A maioria deles cura em temperaturas relativamente baixas (até 200...250 °C) e contém 50...56% de coque. Quando pirolisados, formam carbono vítreo, que não sofre grafitização até 3.000 °C.

As desvantagens dos breus incluem uma composição química heterogênea, que contribui para a formação de porosidade; termoplasticidade, causando migração de ligantes e deformação do produto; a presença de compostos cancerígenos que requerem medidas de segurança adicionais. Os enchimentos CM de carbono-carbono são fibras, estopas, fios e materiais tecidos de carbono-grafite. A estrutura e as propriedades dos CMs dependem em grande parte do método de sua preparação. Os dois seguintes são os mais difundidos.

O primeiro método consiste na impregnação das fibras de grafite com resina ou breu, enrolamento da peça, seu endurecimento e processamento mecânico até um determinado tamanho, carbonização a 800...1500 °C em gás inerte ou ambiente neutro, compactação com carbono pirométrico, grafitização a 2500...3000 °C e aplicação de revestimentos antioxidantes de carbonetos de silício e zircônio. Para obter um material de alta densidade, o ciclo de impregnação – cura – carbonização é repetido várias vezes. No total, o processo dura cerca de 75 horas. A densidade do CM obtida por este método é de 1,3...2 t/m 3.

O segundo método de produção de CM carbono-carbono consiste na deposição de carbono de um meio gasoso formado durante a decomposição térmica de hidrocarbonetos (por exemplo, metano) nas fibras da estrutura da peça (produto) e no preenchimento dos poros entre eles. O método de deposição de gás é mais caro, mas proporciona maior adesão das fibras à matriz, maior teor de carbono na matriz e maior densidade de todo o CM. Este método permite obter CMs com diversas propriedades, inclusive especificadas.

Os materiais compósitos carbono-carbono foram criados pela primeira vez no início dos anos 60 do século passado, simultaneamente com o advento das fibras de carbono de alta resistência. O método de produção de fibras a partir do carbono, uma substância infusível e insolúvel, foi sugerido pela primeira vez por Edison e Swan. Eles conseguiram, ao aquecer fibras orgânicas sob certas condições, não destruí-las, mas convertê-las em fibras de carbono. O mesmo princípio foi utilizado no final dos anos cinquenta do século passado, quando, independentemente umas das outras, iniciaram-se as pesquisas na URSS, nos EUA e no Japão, que lançaram as bases para a criação da indústria de materiais de fibra de carbono (CFM). Nos últimos anos, quase todas as fibras industriais, bem como uma série de fibras especialmente obtidas, foram testadas como matéria-prima para estes fins. Porém, a maioria deles não atendia aos requisitos, sendo os principais a infusibilidade ou facilidade de transmissão, o rendimento da fibra acabada e seu alto desempenho.

Os materiais compósitos carbono-carbono (CCCM) contêm um elemento de reforço de carbono na forma de fibras discretas, fios ou estopas contínuas, feltros, fitas, tecidos com tecelagem plana e volumétrica e estruturas de moldura volumétrica. As fibras são dispostas caoticamente, unidirecionalmente, duas e tridirecionalmente. Os principais diagramas do arranjo das fibras no CCCM são apresentados na Fig. 2.

A matriz de carbono combina os elementos de reforço do compósito, o que permite absorver melhor diversas cargas externas. Os fatores determinantes na escolha de um material de matriz são a composição, estrutura e propriedades do coque.

As vantagens do CCCM são baixa densidade (1,3 – 2,1 t/m3); alta capacidade térmica, resistência a choques térmicos, erosão e irradiação; baixos coeficientes de atrito e expansão linear; alta resistência à corrosão; ampla gama de propriedades elétricas (de condutores a semicondutores); alta resistência e rigidez. Uma característica única do CCCM é um aumento na resistência de 1,5 a 2,0 vezes e um aumento no módulo de elasticidade com o aumento da temperatura. Suas desvantagens incluem tendência à oxidação quando aquecidos a temperaturas acima de 500 ºС em ambiente oxidante. Em ambiente inerte e vácuo, os produtos fabricados com CCCM operam até 3000 ºС.

As propriedades do CCCM variam amplamente. A resistência do CCCM carbonizado é proporcional à densidade. A grafificação do CCCM carbonizado aumenta sua resistência.

Figura 2. Disposição das fibras de carbono no CCCM

A resistência do CCCM baseado em fibras de carbono de alta resistência é maior do que a resistência do CM baseado em fibras de carbono de alto módulo obtidas em diferentes temperaturas de processamento. Alguns CCCMs, especialmente aqueles obtidos por carbonização de fibra de carbono à base de polímeros orgânicos, são caracterizados por um aumento de resistência com o aumento da temperatura de operação de 20 para 2700 ºС. Em temperaturas acima de 3.000 ºС, os CCCMs ficam operacionais por um curto período de tempo, à medida que se inicia a intensa sublimação do grafite. As propriedades do CCCM mudam no ar com exposição prolongada a temperaturas relativamente baixas. Assim, a 400 – 650 ºС no ar ambiente, ocorre a oxidação do CCCM e, como consequência, uma rápida diminuição da resistência como resultado do aumento da porosidade.

As propriedades especiais do CMUC incluem baixa porosidade, baixo coeficiente de expansão térmica, preservação de estrutura e propriedades estáveis, bem como dimensões do produto quando aquecido a 2.000 ºC e resfriado, altas propriedades mecânicas (gráfico 1, tabela 4), bem como boa condutividade elétrica. A principal aplicação do CCCM é em produtos que operam em temperaturas acima de 1200 ºС.

Gráfico 1 – Dependência da resistência à tração específica da temperatura de vários materiais de alta temperatura

Tabela 4 - Propriedades mecânicas comparativas dos materiais

O uso específico das propriedades CCCM está associado a uma série de características únicas inerentes à classe de materiais de carbono. A presença de uma carga fibrosa no volume do CCCM torna o nível de suas propriedades físicas e mecânicas inatingível para os materiais de carbono tradicionais. Variar o arranjo espacial da carga fibrosa do compósito é uma ferramenta eficaz no controle da anisotropia das propriedades do CCCM.

O princípio geral de obtenção do CCCM é criar uma moldura de reforço e formar uma matriz de carbono em seu volume.

Fibra de carbono. Material compósito carbono-carbono e método para sua fabricação Materiais compósitos reforçados com fibra de carbono

Leia também

Produção de materiais poliméricos

Nossa oferta

Por que o preço da fibra de carbono é tão alto?

O que é tecido de carbono?

Existe carbono colorido? Existe carbono amarelo?

O que é Kevlar e quais são suas propriedades?

É possível cobrir a peça com fibra de carbono?

Como são feitos os produtos de carbono e/ou compostos?

Compostos de endurecimento a frio.

Compostos de endurecimento a quente.

INVENÇÃO Patente da Federação Russa RU2556673

Campo de atividade (tecnologia) ao qual se refere a invenção descrita

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

INVENÇÃO
Patente da Federação Russa RU2556673