Жидкофазная технология формирования углеродной матрицы

При технологии производства CBT УУКМ, предусматривающей пропитку углеродного каркаса жидкими углеводородами под давлением, необходимо учитывать следующие характеристики матрицы и продукта ее пиролиза: 1) вязкость кокса; 2) микроструктуру кокса; 3) выход кокса; 4) кристаллическую структуру кокса.

В качестве исходных материалов углеродной матрицы композита могут применяться фенольные, полиамидные, поливинилсилоксановые, фурфуриловые и другие смолы, а также полимеры на основе нафтохинона, бифенила и др. Наиболее перспективно использование в качестве сырья нефтяных каменноугольных пеков, которые отличаются высоким содержанием углерода, способностью к графитации подготовленных мезофазных пеков.

Характеристики некоторых углеродсодержащих материалов, применяемых в качестве матричных CBT УУКМ, приведены ниже:

Химический состав и свойства нефтяных крекинговых, каменноугольных, полихлорвиниловых, тетрабензофеназиловых и других пеков во многом зависят от состава исходного сырья. При нагревании пеков до 400—500 °С и выше образуется кокс. В этой связи получение пеков следует рассматривать как определенную стадию карбонизации органического вещества, предшествующую коксообразованию.

При определенных технологических параме трах в исках может зарождаться жидкокристаллическая фаза (мезофаза). Мезофаза способствует образованию анизотропного графитирующегося кокса. С учетом этого полезно для практики рассматривать изотропные пеки (немезофазные) и анизотропные (мезофазные).

Следует отметить, что анизотропная структура всех графитирующихся коксов формируется через мезофазные превращения в интервале температур 390—520 °С по механизму фазового перехода из твердого в жидкое состояние. При этом полимеризованные ароматические молекулы изотропной пековой массы располагаются параллельно направленному формированию жидких кристаллов. Жидкие кристаллы мезофазы образуются в изотропной расплавленной пековой массе при температурах 390—520 °С.

В процессе низкотемпературной карбонизации (550—650 °C) наблюдается процесс фазового перехода мезофазы в твердый полукокс. Этот процесс сопровождается формированием дефектной структуры и возникновением усадочных трещин в материале.

Формирование структуры и свойств углеродно-коксовой матрицы находится в определенной зависимости от температуры карбонизации (900—1430 °С), при которой наблюдается разложение органических соединений и образование молекулярной упорядоченной структуры углерод — кокс. Далее в процессе предкристаллизации (1400—2000 °С) наблюдается упорядочение атомов углерода в более совершенную структуру и образование его переходных форм. При дальнейшем повышении температуры (2000—3000 °С) протекают процессы гомогенной графитации - превращения переходных форм углерода в кристаллический графит.

На выход углерода из смолы в процессе карбонизации значительное влияние оказывает давление. Так, например, при повышении давления от 0,07 до 7 МПа выход углерода из смолы при 600 °С увеличивается на 30 %, что связано с большей степенью ароматизации при разложении углеродсодержащих соединений.

Нефтяные и каменноугольные пеки при их термобарической обработке образуют хорошо графитирующиеся переходные формы углерода.

Жидкофазная технология производства CBT УУКМ предусматривает пропитку пористого углеродного каркаса пеком под давлением от 0,5 до 3 МПа и дальнейшую карбонизацию углерод-коксовой матрицы при температуре 900—1100 °С и давлении 100—200 МПа. При этом повышается плотность материала, что сопровождается повышением эрозионной стойкости композита.

Производство элементов конструкций изделий из CBT УУКМ жидкофазным методом предполагает реализацию этого процесса в газостатах или с применением прессов высокого давления.

Для производства CBT УУКМ и изделий из них возможно также применение комбинированного метода формирования углеродной матрицы, который заключается в химическом газофазном осаждении пироуглерода на поверхности углеродного каркаса, изготовленного из волокнистых армирующих материалов, и последующей его пропитке пеком с карбонизацией иод давлением. Рассмотренный метод обеспечивает максимальную плотность CBT УУКМ и его высокие механические характеристики.

В практике производства CBT УУКМ могут быть реализованы различные технологические схемы, такие как:

— пропитка пеком пористого каркаса, карбонизация под давлением и дополнительное уплотнение УУКМ пироуглеродом из газовой фазы;

— уплотнение каркаса пироуглеродом из газовой фазы до заданной плотности, дальнейшая пропитка каркаса пеком с последующей карбонизацией его. Далее предусмотрена механическая обработка изделия из CBT УУКМ и возможность доуплотнения материала пироуглеродом.

Рассмотренные процессы производства CBT УУКМ могут быть реализованы на стандартном технологическом оборудовании, применяемом для производства CBT УУКМ по изложенным ранее технологиям.