Методы получения и области применения УУКМ

 

Изделия из однонаправленно-, перекрестно- и хаотически армированных углерод-углеродных композитов получают карбонизацией углепластиков при температуре около 1000°С или уплотнением пористой углеродной матрицы с помощью повторяющихся процессов пропитки волокон термореактивными смолами с последующей карбонизацией. [3]

Основные методы получения углерод-углеродного композита включают высокотемпературную обработку углепластиков и нанесение на углеродный волокнистый наполнитель пироутлерода, образующегося при разложении углеводородов. Существуют жидкофазный, газофазный и комбинированный способы получения УУКМ.

Жидкофазный метод включает пропитку исходных армирующих углеродных каркасов специальным, например, фенолформальдегидным связующим (пеками или другими высокоуглеродсодержащими органическими смолами), которое отверждают, а затем карбонизуют при высокой температуре (2000°С и выше). Так как при этом материал становится пористым, его еще раз пропитывают связующим и опять карбонизуют. Эту операцию повторяют несколько раз. Другой способ - газофазный, включает химическое осаждение пироуглерода из газовой фазы на армирующий каркас при высоких температурах и давлениях. Перспективен и комби

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

КР 18.02.13. 13.000 ОТ

нированный метод, суть которого заключается в жидкофазной пропитке или газофазном уплотнении армирующего каркаса пироуглеродом с последующим доуплотнением газофазным или жидкофазным способами до получения необходимых свойств. Полученный материал может работать при температурах до 3000°С, если его поверхность защитить от окисления.

Первые стадии производства углерод-углеродного композита аналогичны изготовлению композита с полимерной матрицей. Углеродные волокна пропитывают фенолформальдегидной смолой, т.е. термореактивной смолой. Затем соответствующим образом собранные и пропитанные смолой волокна нагревают в инертной атмосфере. При этом происходит пиролиз смолы (обугливание, аналогичное процессу превращения дерева в древесный уголь) и остается углерод. Полученный композит снова под давлением пропитывают смолой и подвергают пиролизу. В результате многократного повторения процесса образуется прочный материал с минимальным числом внутренних пустот. [6]

Уникальные свойства УУКМ - высокая температуростойкость в сочетании с малой плотностью, высокими прочностью и модулем упругости, стойкостью к тепловому удару, а также способностью устойчиво работать при температурах до 773К в окислительной среде и до 3273К в инертной среде и вакууме обусловили их широкое применение. Области применения углерод-углеродных композитов чрезвычайно разнообразны: авиация и космонавтика, металлургия, машиностроение, реакторостроение, медицина и др.

Из УУКМ делают носовые обтекатели ракет, детали скоростных самолетов, подвергающиеся максимальным аэродинамическим нагрузкам, сопла ракетных двигателей и др. [3]

Пресс-формы для горячего прессования тугоплавких металлов и сплавов из УУКМ обладают высокой прочностью (в 5 - 10 раз выше, чем у графита), термостабильностью, высоким сопротивлением к термическому удару, малой массой, химической инертностью, способностью быстро охлаждаться и более длительным сроком эксплуатации.

Подшипники скольжения на основе графитов, обладают малым коэффициентом трения, высокими теплопроводностью и стойкостью в агрессивных средах. Особенно эффективно их применение в узлах трения, где другие антифрикционные материалы, требующие смазки, не работают из-за высоких или низких температур и агрессивности среды.

Углерод-углеродные композиты обладают высокой радиационной стойкостью. Поскольку они по своим прочностным характеристикам превосходят все известные марки реакторных графитов, представляется перспективным их примене

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

КР 18.02.13. 13.000 ОТ

ние для узлов активной зоны высокотемпературных газоохлаждаемых реакторов. Их применение позволяет значительно повысить надежность работы реактора.

Нагревательные элементы из УУКМ могут применяться в высокотемпературных вакуумных печах или печах с инертной атмосферой при температурах до 3000°С.

Углерод-углеродные композиты широко используют в медицине для изготовления армирующих пластинок для соединения костей при переломах, изготовления сердечных клапанов, имплантации зубов. Эти материалы характеризуются биосовместимостью с тканями человека, прочностью, гибкостью, легкостью. Они отлично приживаются, не давая нежелательных реакций. Например, стержни тазобедренных суставов из УУКМ, разработанные в Германии, обладают высокой усталостной прочностью и заданной деформацией. Французская фирма СЕМ выпускает композиты сложного состава: УУКМ+керамика («био-карб»), сочетающие биологические свойства углерода, биомеханические и трибологические свойства керамики для изготовления зубных протезов. [3

Заключение

 

Углерод углеродные композиционные материалы являются одними из сам теплостойких композитов. В сравнении с другими композиционными материалами углерод-углеродные могут применяться в более жестких условиях. Они имеют более высокие прочностные характеристики, стойкость к тепловым ударам и другие преимущества. Но несмотря на ряд достоинств, углеродные композиты имеют серьезный недостаток в виде сильной анизотропии

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

КР 18.02.13. 13.000 ОТ

Список литературы

1. Лекции.Орг - публикация материала для обучения [Электронный ресурс]: Особенности структуры волокнистых форм углерода. URL:

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

КР 18.02.13. 13.000 ОТ

https://lektsii.org/4-12961.html (Дата обращения: 28.03.2021)

2. Хелпикс.Орг - Интернет помощник [Электронный ресурс]: Углеродное волокно: способ получения, свойства, применение. URL: https://helpiks.org/8-90841.html (Дата обращения: 28.03.2021)

3. Википедия [Электронный ресурс]: Углеродное волокно URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Углеродное_волокно (Дата обращения: 28.03.2021)

4. Углеродные композиты обучения [Электронный ресурс]: Получение углеродных волокон на основе полиакрилонитрильного волокна URL: https://kompositt.com.ua/index.php/home/uglyerodnyyekompozity/12-poluchyeniye_uglyerodnyh_volokon_na_osnovye_poliakrilonitril_nogo_volokna (Дата обращения: 28.03.2021)

5. Система дистанционного обучения ИвГУ [Электронный ресурс]: Углерод - углеродные композиционные материалы. URL: https://sdo.ivanovo.ac.ru/pluginfile.php/15005/mod_resource/content/1/Лекция_5._Композиты_на_основе_УНМ.pdf (Дата обращения: 28.03.2021)

6. Детали машин. Электронный учебный курс для студентов очной и заочной форм обучения. Составитель: к.т.н., доцент кафедры механики и конструирования машин Каримов Ильдар [Электронный ресурс]: Раздел 39. Технология изготовления углерод-углеродных композитов и композитов на основе металлических матриц. URL: http://www.detalmach.ru/composit5.htm (Дата обращения: 28.03.2021)