Уплотнение многонаправленных структур

Переработку полуфабриката с многонаправленной структу­рой в предельно плотный УУКМ можно осуществить разными технологическими методами.

Выбирая полимерную матрицу для пропитки, последующе­го уплотнения каркаса и перевода его в УУКМ, учитывают следующие характеристики матрицы и продукта ее пиролиза: а) вязкость, б) выход кокса, в) микроструктуру кокса, г) крис­таллическую структуру кокса.

Все эти характеристики зависят от свойств матрицы, а также от давления и температуры, изменяющихся в процессе полу­чения УУКМ.

Термореактивные фенольные и фурфуриловые смолы и пек из каменно-угольной смолы или нефти являются обычно ис­ходными материалами для матрицы УУКМ.

Использование термореактивных смол обусловлено их хо­рошей пропитывающей способностью и наличием обширной технологической базы. Большинство термореактивных связую­щих полимеризуются при сравнительно низких температурах (<250 °С), а при пиролизе образуют стекловидный углерод, который не графитизируется при нагреве вплоть до 3000 °С. Содержание кокса у этих смол составляет от 50 до 56 % по массе. Термореактивные смолы имеют менее плотный и менее графитизированный кокс, чем каменноугольная смола. Низкая плотность кокса ограничивает уровень плотности УУКМ. Од­нако в необходимых случаях в некоторых конструкциях целе­сообразно иметь неграфитизированную матрицу.

 

*

 

 

 

Тем не менее эффект графитизации фурфуриловых смол можно получить, используя в процессе уплотнения высокие давления. Предполагают, что внешние нагрузки, приложенные в интервале температур 400...600 °С, увеличивают подвижность молекулярной структуры, склонной к графитизации. Смолы, отвержденные и карбонизированные под давлением, не имеют усадочных трещин, которые характерны для смол, карбонизи­рованных при малом давлении.

Пропиточные пеки, применяемые для получения УУКМ, представляют собой смеси полуциклических ароматических уг­леводородов. Они имеют низкую температуру размягчения (94... 101 °С), низкую вязкость расплава и высокое содержание кокса (до 62 %). В отличие от пространственно сшитых тер­мореактивных смол они являются термопластическими. Содер­жание кокса в каменноугольной смоле при атмосферном дав­лении составляет всего 50 %, однако пиролиз при температуре 550 °С в азотной атмосфере при давлении около 10 МПа повышает содержание кокса до 90 %.

Наиболее широко применяемым методом введения углерод­ной матрицы в многонаправленный армирующий каркас явля­ется пропитка под низким давлением с последующей карбони­зацией полученного композита в инертной среде. Насыщение матрицы проводят или в ванне при атмосферном давлении, или в вакуумной камере. УУКМ, пропитанные смолами, от-верждают и термообрабатывают для завершения процесса от­верждения, а затем подвергают карбонизации и, если требуется, графитизации. УУКМ, пропитанные пеками, не отверждают, а сразу подвергают карбонизации в азотной атмосфере.

Рис. 1.36. Характер ный цикл карбониза ции

Характерный цикл карбонизации пока­зан на рис. 1.36, а характерный цикл графи­тизации на рис. 1.37. Для полного заверше­ния процесса насыщения углеродом при со­здании УУКМ цикл пропитка — термообра­ботка повторяют многократно, причем гра-фитизация не является обязательным эта­пом каждого цикла. Этим методом целесо­образно изготавливать УУКМ, в которых до­пускается открытая пористость около 10 %. При использовании пропитки под высо­ким давлением повышается содержание

 

 

Рис. 1.37. Характерный цикл графитизации

кокса и сокращается время изготовле­ния УУКМ. Уплотнение под высоким давлением отличается от пропитки при низком давлении только дополнитель­ным давлением при карбонизации. При подготовке процесса уплотнения под высоким давлением пропитку заготовок проводят, как правило, горячим пеком. Твердый пек расплавляют в вакууме в емкости, нагретой до 250 °С; заготовки (т.е. армирующие каркасы), помещен­ные в металлические контейнеры, нагревают в вакууме до такой же температуры в емкости, расположенной рядом. Горячий жидкий пек через трубы, соединяющие обе емкости, продав­ливается азотом в контейнеры с заготовками. Когда заготовки полностью погружены в горячий жидкий пек, свободный объем емкости с заготовками заполняют азотом для выравнивания давления и прекращения подачи пека. Контейнеры с пропи­танными жидким пеком заготовками, подготовленными для карбонизации под давлением, закрывают герметичными метал­лическими крышками. Обработку под высоким давлением про­водят при изостатическом давлении в автоклаве или в специ­альных газостатах (рис. 1.38). Изостатическое давление, при­ложенное к тонкому металлическому контейнеру, передается на расплавленный пек. При повышенных температурах этот металлический контейнер действует, по существу, как "рези­новый мешок". Схематически последовательность процесса давление—пропитка—карбонизация изображена на рис. 1.39.

После обработки под давлением заготовки удаляют из ме­таллических контейнеров и подвергают графитизации с регу­лируемой скоростью нагрева. Полный цикл обработки повто­ряют до достижения требуемой плотности композита. При этом продолжительность процесса составляет всего 7... 14 ч, а во многих случаях удается получить заготовку за один цикл. В этом и заключается преимущество данного метода.

Способ осаждения пироуглерода из газовой фазы. Заключается в разложении газообразных углеводородов (метана, бензола, ацетилена и т.п.) или смеси углеводородов с разбавляющим газом (инертным газом или водородом) под действием высоких

 

 

                                                                                                        

 

 

 

 

Рис. 1.38. Схема устройства газоста-та: / — корпус; 2 — изоляция; 3 — ре­торта; 4— контейнер с изделием; 5 — нагреватель; 6 — опорная решетка; 7 - ввод аргона; 8 — обратный кла­пан; 9 — дифференциальный кла­пан; 10 — вывод газа из камеры

температур на углерод, который осаждается на нагретой поверх­ности волокна, и газообразные продукты реакции, которые уда­ляются из реакционной камеры. Осаждающийся углерод создает соединительные мостики между волокнами. Процесс осаждения проводится в вакууме, в индукци­онных печах под давлением или в обычных печах сопротивления. Разработано несколько техноло­гических методов получения пи- роуглеродной матрицы.

Рис. 1.39. Последовательность опе­раций цикла уплотнения под давле­нием: а — подготовка образца; б - про­питка; в — герметизация и откачка контейнера; г — карбонизация; д — очистка образца

Изотермический метод. Осно­ван на том, что заготовка нахо­дится в равномерно обогреваемой камере. Равномерность обогрева в индукционной печи обеспечи­вается с помощью графитового сердечника. Углеводородный газ подается через днище печи и диф­фундирует через заготовку, осаж­даясь на волокна. Неправильный выбор температуры в печи приво­дит к поверхностному наслоению пироуглерода. Этот метод обычно применяют для изготовления тонкостенных деталей, поскольку в этом случае заполняются пре­имущественно поры, находящие­ся у поверхности изделия (рис. 1.40).

Для объемного насыщения каркаса и получения толстостенных заготовок (блоков) приме­няют неизотермический метод или метод термических гради-

 

Рис. 1.40. Схема камеры для изо­термического процесса химичес­кого осаждения: 1 — кожух; 2 — углеродный кар­кас; 3 — индукционная катушка; 4 — графитовый сердечник

Рис. 1,41.Схема печи для осаж­дения пироуглерода по методу температурного градиента: / — корпус печи; 2 ~ тоководы; 3 - изделие; 4 - термопара; 5 -ввод углеводорода; 6 — выход продуктов реакции

ентов. Заготовку в этом случае раз­мещают на обогреваемой оправке-сердечнике или металлическом стержне, через который пропуска­ют ток (рис. 1.41). Углеводородный газ подается со стороны печи, имеющей более низкую температу­ру. В результате такого градиента температур осаждение пироуглеро-да происходит в наиболее горячей зоне, т.е. в области сердечника или стержня. Повышая температуру сердечника или стержня, например путем увеличения тока, создают ус­ловия для осаждения углерода в следующей зоне от центра к пери­ферии. Таким образом, увеличение плотности и теплопроводность УУКМ приводит к перемещению температурного фронта осаждения, что обеспечивает в конечном итоге полное насыщение заготовки угле­родом. Этот метод позволяет полу­чать УУКМ с высокой плотностью (1700... 1800 кг/м³), характеризуется большой скоростью осаждения, за­полнением крупных пор и объем­ным уплотнением материала.

Физико-механические характе­ристики УУКМ, измереннные при комнатной температуре, представ­лены в табл. 1.24. Однако эти по­казатели дают самое общее пред­ставление о возможностях УУКМ, поскольку современные дан­ные не позволяют сделать точную количественную оценку вли­яния схем укладки типа матрицы, метода изготовления на механические и тепловые характеристики УУКМ.

 

 

                                                                                                                                                                                                                                                        3

 

 

Таблица 1.24 Характеристики углерод-углеродных и углеграфитовых материалов

 

УУКМ являются самыми перспективными материалами для конструкций, работающих при высоких температурах. Из них изготавливают высокотемпературные подшипники ядерных си­ловых установок, носовые обтекатели ракет, вкладыши крити­ческого сечения двигателей, сопловые блоки, лопатки турбин, детали тормозных устройств самолетов и т.д.

Кроме упомянутых изделий авиационной и ракетно-косми­ческой техники, УУКМ имеют широкие перспективы приме­нения в промышленности (рис. 1.42).

Рис. 1.42.Перспективы применения УУКМ

Для широкого внедрения в промышленность УУКМ одной из важнейших проблем является снижение их стои­мости. Решающую роль может сыграть создание нового по­коления дешевых углеродных волокон, а также разработка промышленной технологии их изготовления.

 

 

 

1.7. Керамические композиционные материалы

Керамические композиционные материалы представляют собой материалы, в которых матрица состоит из керамики, а арматура из металлических и неметаллических наполнителей.

Керамические материалы характеризуются высокими тем­пературами плавления, прочностью при сжатии, сохраняющей­ся при достаточно высоких температурах, и стойкостью к окис­лению. Эти свойства керамики, и прежде всего, силикатной, в течение многих веков использовались при изготовлении футе­ровки печей и многих огнеупорных изделий. В настоящее время требования к керамике как конструкционному материалу зна­чительно выросли. Новые виды керамики на основе высоко­огнеупорных оксидов тория, алюминия, бериллия, циркония, магния, ванадия находят широкое применение в технике при экстремальных условиях эксплуатации. Достаточно сказать, что температуры плавления оксидов циркония, алюминия, берил­лия, тория, магния и гафния составляют 2973, 2273, 2873, 3473, 3073 и 3111 К соответственно. Наряду с тугоплавкостью кера­мика обладать высокой прочностью при растяжении и ударной вязкостью, стойкостью к вибрациям и термоудару. Такие свой­ства присущи, например, некоторым металлам. Сопоставление свойств керамики и металлов привело к попыткам создания КМ, в которых керамическая матрица сочетается с металли­ческими включениями в виде порошка. Так, появились керме-ты. Сегодня керметом считают материал, содержащий более 50 % тугоплавкой неметаллической фазы. Были созданы кер-меты на основе карбида титана и оксида алюминия, слюды и никеля, оксида системы алюминий—вольфрам—хром и многие другие. Однако керметы обладают существенным недостат­ком - хрупкостью, поэтому их применение во многих случаях ограничено.

Дальнейшими исследованиями было установлено, что улуч­шения физико-механических характеристик керамики можно получить, армируя ее металлическими, углеродными и керами­ческими волокнами. Чтобы достичь одинаковой с керметом термостойкости, в керамику нужно ввести примерно в три раза меньше металлических волокон, чем металла в виде порошка. Для получения армированных ККМ пользуются преимущест-

венно методами порошковой металлургии, а также гидроста­тическим, изостатическим и горячим прессованием, шликер-ным, центробежным и вакуумным литьем. В настоящее время в стадии освоения находится взрывное и гидродинамическое прессование.

В ККМ нагрузка перераспределяется с малопрочной мат­рицы на более прочную, арматуру, однако увеличение предела прочности при растяжении наблюдается у ККМ не всегда. В некоторых случаях композиция получается менее прочной, чем неармированная матрица. Объяснить это можно сочетанием ККМ малой пластичности с высоким модулем упругости при растяжении. Вследствие этого удлинения матрицы при нагру-жении ее до разрушения оказывается недостаточным для того, чтобы передать значительную часть нагрузки армирующим эле­ментам. Достигнуть этого можно либо за счет подбора мате­риала арматуры с более высоким, чем у матрицы, модулем упругости, либо за счет предварительного напряжения армату­ры при условии достаточно прочной связи ее с матрицей.

Важен и вопрос ориентации армирующих волокон в кера­мике. Они могут располагаться в матрице как направленно, так и хаотично. Схема ориентации волокон в матрице определяется условиями нагружения детали при эксплуатации.

---

Дата добавления: 2018-05-02; просмотров: 706; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!