Газофазная технология формирования пироуглеродной матрицы » Ремонт Строительство Интерьер

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Газофазная технология формирования пироуглеродной матрицы

29.06.2021

Назначение углеродных матриц в армированных углерод-углеродных композиционных материалах заключается в объединении компонентов композита в единую целостную систему, представляющую собой сочетание армирующих высокомодульных, высокопрочных наполнителей и материала матрицы. Помимо этого, матрица обеспечивает возможность сохранения формы каркаса изделия, изготовленного из углеродных волокнистых армирующих систем.

В конструкционных УУКМ в качестве матрицы используют различные модификации углерода:

— кокс, полученный в результате высокотемпературного отжига отвержденных термореактивных смол;

— пиролитический углерод — продукт разложения углеродсодержащих соединений на горячих поверхностях;

— комбинацию кокса с пироуглеродом;

— углерод, модифицированный карбидо- и нитридообразующими элементами.

Для исходных органических материалов, применяемых для формирования углеродной матрицы в CBT УУКМ, должны быть характерны высокий выход углерода и низкое давление паров в процессе карбонизации.

В качестве исходных материалов для формирования углеродной матрицы в каркасе CBT УУКМ целесообразно применять пеки и смолы с высоким коксовым числом. Важно также высокое содержание ароматических углеводородов в исходных материалах, их большая молекулярная масса.

В качестве исходного вещества при газофазном методе формирования пироуглеродной матрицы может быть использован метан, ацетилен, а также другие углеводороды.

Ранее упоминалось, что пиролитический углерод (ПУ) представляет собой продукт разложения неконденсированных углеродсодержаших соединений. Понятие «пироуглерод» объединяет различные углеродные материалы, отличающиеся структурой и свойствами. Ho метод получения ПУ предполагает производство этого углеродного материала из парогазовой фазы.

Процесс формирования пироуглеродной матрицы исходного углеродного каркаса CBT УУКМ осуществляется по механизму инфильтрации молекул углеводородов в поры (каналы) углеродного каркаса, изготовленного из углеродных армирующих систем, и их разложением с образованием в порах углеродного каркаса пироуглеродной матрицы.

Процесс пиролиза неконденсированных углеводородных сред контролируется по изменению температуры, давления и расхода газа в зоне реакции.

Процесс уплотнения пироуглеродом каркаса изделия, выполненного из высокомодульных углеродных армирующих систем, может проводиться в изотермических условиях и предусматривает пропускание углеродсодержащего газа над нагретой поверхностью каркаса при сравнительно умеренных давлениях газа.

Другой способ формирования пироуглеродной матрицы CBT УУКМ предусматривает пропускание углеродсодержащего газа через армирующие системы при наличии градиента давлений по толщине каркаса.

Принудительная фильтрация углеродсодержащего газа по каналам каркаса ускоряет процесс уплотнения каркаса ПУ и намного увеличивает скорость процесса формирования пироуглеродной матрицы CBT УУКМ. Однако рассмотренный метод не обеспечивает получения равноплотной структуры формирующегося CBT УУКМ.

При уплотнении ПУ углеволокнистых каркасов средней и большой толщины эффективен термоградиентный метод (ТГМ). Особенность ТГМ - наличие градиента температур по всей толщине каркаса. При этом углеродсодержащий газ пропускают со стороны поверхности каркаса с низкой температурой. При этом исключается образование поверхностной корки ПУ и углеродсодержащий газ равномерно заполняет каналы углеродного каркаса с последующим формированием пироуглеродной матрицы равной плотности но сечению (толщине) каркаса.

Процесс формировании пироуглеродной матрицы в CBT УУКМ протекает в широком диапазоне температур (770 2500 °С). Механизм процесса формировании пироуглеродной матрицы композита в значительной степени определяется температурным режимом, при котором протекает пиролиз углеводородов. Наибольший выход ПУ наблюдается при пиролизе метана, имеющего наименьшую молекулярную массу.

В зависимости от температуры процесса возможно формирование низкотемпературной (1250—1350 °С) и высокотемпературной (1480—2480 °С) модификации пироуглерода.

По микроструктуре ПУ, полученный в интервале 1480—2480 °C при концентрации метана менее 15 %, может быть разделен на три вида:

1) состоящий из конусов роста (гранулярная и слоистая структура);

2) изотропный;

3) переходного строения, содержащий области слоистых образований и изотропного ПУ.

Анализ показывает, что при газофазном процессе формирования пироуглеродной матрицы CBT УУКМ, как правило, образуется ПУ, состоящий из конусообразных фрагментов. Формирующаяся углеродная матрица может иметь наряду с четко выраженной глобулярной структурой (конусообразные фрагменты) и сложную микроструктуру.

Технологическое устройство, в котором реализуется процесс газофазного формирования пироуглеродной матрицы в каркасе CBT УУКМ, состоит из водоохлаждаемого реактора, систем вакуумирования и азотного охлаждения реактора, а также систем энергообеспечения и системы управления технологическим устройством.

Условия формирования равноплотной пироуглеродной матрицы, изотропности ее физико-механических характеристик в значительной степени определяются температурой процесса на фронте пиролиза углеродсодержащего газа.

Формирование равноплотной ПУ матрицы в каркасе CBT УУКМ зависит также от ряда факторов, таких как плотность углеродного каркаса, скорость движения фронта пиролиза, концентрация реагента и давление газа в реакторе.

Ранее упоминалось, что плотность CBT УУКМ в значительной степени определяет эксплуатационную надежность изделия. В свою очередь, плотность конструкционного CBT УУКМ зависит как от плотности каркаса, так и от плотности пироуглеродной матрицы материала.

Теоретическая оценка плотности углеродного каркаса рк, выполненного по ортогональной схеме армирования, может быть проведена на основании зависимости

где рн — линейная плотность нити, текс; nx, ny, nz — число нитей в элементарной ячейке по направлениям х, у, z соответственно; dx, dy, dz — размеры граней элементарной ячейки по направлениям х, у, z (м).

Плотность CBT УУКМ в целом определится по формуле

где рпу — плотность пироуглеродной матрицы, кг/м3; С — константа, величина которой зависит от вида ячейки углеродного каркаса; K1, K2 — коэффициенты, учитывающие макро- и микропористость; рк — плотность углеродного каркаса, кг/м3; рв — плотность углеродного волокна, кг/м3.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: