Применение плазмы

Плазма — газообразное состояние вещества, при котором оно полностью или частично ионизировано под воздействием температуры, излучения, электрического разряда, высокочастотного электрического поля или других факторов. В плазме одновременно содержатся отрицательные и положительные ионы, а также неионизированные атомы и молекулы.
Применение плазмы в электровакуумном производстве, образующегося (плазма) при возбуждении в газе электрического дугового разряда. Эта плазма характеризуется сильным свечением, температурой 10000 — 25000 С, высокой электропроводностью, огромной скоростью движения частиц (достигающей 15 000 м/с), а также интенсивным взаимодействием плазмы с электрическими и магнитными полями. Струю плазмы можно сжимать, фокусировать и отклонять.
Применение плазмы газового разряда не является в термическом (тепловом) отношении равновесной. Она нагревается изнутри за счет энергии, выделяющейся при прохождении тока, и охлаждается с поверхности вследствие контакта с холодными стенками или с окружающими слоями воздуха. Поэтому плазма газового разряда может иметь во много раз более высокую температуру, чем металл или нейтральный газ, который ее окружает.
Очень высокая плотность энергии в плазме позволяет передавать большое количество теплоты в течение короткого времени на малую поверхность предмета.
Применение плазмы может решены следующие задачи:
  • получение особо чистых слоев материалов со специальными свойствами (магнитные, оптические, эмиссионные, сверхпроводящие слои);
  • изменение структурно-энергетического состояния поверхности материалов (упрочнение поверхности, ионное легирование полупроводников и др.);
  • получение пленочных монокристаллических структур.
Автор: Шехмейстер Е.И.

Волокнистые наполнители

В композиционных материалах (КМ) применяют разнообразные волокнистые наполнители:
  1. керамические (стеклянные, углеродные, борные),
  2. полимерные (органические, поливинил-спиртовые и т. п.)
  3. (редко) металлические.
Основная функция наполнителя в КМ — обеспечение заданных прочностных и (частично) теплофизических свойств. Поэтому качество наполнителя оценивают его прочностными характеристиками, адгезионной способностью и термостабильностью. Эти характеристики в совокупности наиболее предпочтительны для стеклянного наполнителя (стекловолокна), прочность которого составляет 1470—4900 МПа; модуль упругости 49—123 ГПа; относительное удлинение при разрыве 1,5—5,4%; температура плавления 1710°С; допустимая температура длительной эксплуатации 350—800°С; адгезионная прочность к связующему 16—40 МПа.
C учетом низкой стоимости и относительной простоты получения стекловолокна становятся понятными причины широкого применения его в производстве КМ.Для получения КМ c повышенной упругостью используют углеродные, борные и органические волокна, а сами материалы называют соответственно угле-, боро- и органопластиками. Эти виды КМ находят пока ограниченное применение в промышленности, поэтому далее под волокнистым наполнителем понимают преимущественно стекловолокно.
Волокнистые наполнители по химическому составу различают щелочные и бесщелочные стекловолокна. Первые более дешевы, но уступают вторым по прочностным свойствам и химической стойкости при высоких тепловых нагрузках. Поэтому при изготовлении слабо нагруженных изделий применяют щелочные волокна, а для так называемых ответственных изделий (эксплуатируемых в условиях больших силовых и температурных воздействий или в коррозионных средах) — бесщелочные наполнители, получаемые из алюмосиликатных и титан- или борсодержащих стекол.Для получения наполнителя применяют непрерывные и штапельные элементарные стекловолокна диаметром 3—20 мкм. Непрерывные волокна характеризуются большой длиной (до нескольких километров) и параллельной укладкой.
Штапельные волокна короткие (несколько десятков см) и хаотически уложены. Из непрерывных волокон изготовляют нити (в каждую нить входит 2—48 волокон) и жгуты (ленты), объединяющие 20—100 нитей. Качество жгута или нити характеризуют линейной плотностью и средней прочностью (значение последней обычно заметно отличается от прочности КМ, так как полимерная матрица увеличивает запас прочности наполнителя). Нити и жгуты (ленты) используют, как правило, для производства ответственных изделий методом намотки.Другое направление переработки стекловолокна связано c получением из него рулонных наполнителей — тканых и нетканых материалов. Тканые наполнители изготавливают методами традиционной текстильной переработки стеклонитей. Нетканые наполнители (холсты) вырабатывают из короткорубленых жгутов или штапеля. Для связи волокон в холсте применяют небольшие количества связующего или прошивку нитями.Волокнистые наполнители рулонные используют в производстве слабо нагруженных изделий (дренажные трубы, кровельные листы, воздуховоды и т. п.).

Прочность и адгезионная способность стекловолокна во многом определяется сохранностью его поверхности, прошедшей своеобразную «закалку» в процессе вытяжки через фильеру. Для защиты поверхностей волокна при его хранении и переработке применяют различные замасливатели в виде эмульсий из жирных кислот и парафинов. Эти покрытия снижают адгезионную способность стеклонаполнителя, поэтому перед его использованием замасливатель удаляют.

Элементарные волокна 8 получают вытягиванием расплава стекла через фильеры (малые отверстия c насадками или без них), расположенные на дне фильерного питателя 6 установки производства стекловолокна (рис. 1.1). Жидкое стекло поступает в питатель непосредственно из стекловаренной печи 3 или образуется в корпусе питателя при плавлении стеклянных шариков (рис. 1.1,6), которые предварительно получают из стекломассы, охлаждают и хранят в бункере 2. Для плавления шариков используют электрический ток, который через токоподводы 7 пропускается через металлический корпус питателя. Первый способ производства стекловолокна называют одностадийным, второй — двухстадийным.

1111

Рис. 1.1. Схема получения стекловолокна двухстадийным (а) и одностадийным (б) способами: 1 — загрузчик шихты; 2 — бункер шихты или стеклошариков; 3 — стекловаренная печь; 4 — расплавленная стекломасса; 5 — фидер; 6 — фильерный питатель; 7 — токоподводы; 8 — элементарные стекловолокна

Первоначально стекловолокно диаметром 2—9 мкм, используемое для выработки стеклотканей, производили двухстадийным способом. Однако для изготовления стекловолокна диаметром 9—20 мкм, которое широко используют в КМ, этот способ оказался экономически неэффективным из-за больших затрат энергии на охлаждение и повторное плавление стекло-шариков. Поэтому большее распространение начинает получать одностадийный способ выработки стекловолокна диаметром 9—20 мкм, хотя в этом случае требования к конструктивному оформлению технологического процесса и системе автоматизации более жесткие.

Стекловолокно получают преимущественно из бесщелочного стекла «Е», которое вырабатывают в стеклоплавильных печах. Эти небольшие по размерам ванные печи соотношением длины к ширине не менее 3:1, отапливаемые пламенными горелками, в которых сжигают газ, мазут, керосин (некоторые печи оборудованы электрическими нагревателями). Используемый для сжигания топлива воздух подогревается в рекуператорах или (реже) регенераторах. Плавильная печь (рис. l.l,c) оборудована c одного конца несколькими загрузочными отверстиями, через которые в нее из бункера 2 шнеком, подается шихта и отходы стекловолокна; сваренная стекломасса 4 вытекает c противоположного конца печи в раздаточный фидер (распределитель) 5.

Качество стекла зависит от состава и однородности шихты и наличия различных примесей в стекломассе. В частности, неоднородность шихты вызывает местные изменения вязкости стекломассы, которые влияют на ее расход через фильеры и могут приводить к обрыву элементарных волокон. Твердые даже субмикронные включения в непрерывном волокне действуют как концентраторы напряжений и также способствуют обрыву элементарных волокон.

Сваренное стекло поступает из печи по раздаточным фидерам либо к автоматам для получения стеклянных шариков, либо к питателям, установленным в дне фидерных каналов. В обоих случаях фидер обеспечивает «доводку» температуры и вязкости стекломассы до требуемых значений.

Фидеры для производства стеклошариков имеют небольшую длину и поэтому стабилизация температуры, а, следовательно и вязкости, стекломассы не вызывает затруднений. Длина фидеров одностадийной установки значительна (до 50 м); конструкция всей фидерной системы может быть различной для установок разной производительности. Наибольшее распространение получили так называемые Т-образные и Н-образные конструкции фидеров для установок малой и средней производительности. Для печей большой производительности фидерная система может иметь вид гребенки. Стабилизация температуры и вязкости движущейся стекломассы в таких фидерах требует применения отопительных газовых горелок или электрических нагревателей.При газовом отоплении в основном используют газовоздушную смесь c требуемым соотношением «газ — воздух», подаваемую на горелки фидера. Эта схема отопления экономически выгоднее той, в
которой топливо смешивается c воздухом непосредственно в каждой горелке.

Фильерные питатели, из которых вытягивают стеклянные волокна, представляют собой нагревательную печь, изготовленную из платинового сплава и обогреваемую пропускаемым через нее переменным током от «печных» трансформаторов. При одностадийном способе получения волокна необходимо лишь точно поддерживать заданную температуру расплава стекла в фильерном питателе, поэтому применяют маломощные «печные» трансформаторы. Для двухстадийного способа, в котором значительная часть мощности расходуется на плавление стеклянных шариков, требуются весьма мощные трансформаторы. Разные функции фильерных питателей определили и различие в их конструкции (см. рис. 1.1). Если конструкция питателя для одностадийного способа относительно проста, то фильерный питатель для двухстадийного способа содержит ряд дополнительных конструктивных элементов для обеспечения плавления холодных стеклянных шариков c требуемой скоростью и предотвращения попадания их в нижнюю зону питателя и нарушения температурного режима расплава. Число фильер в дне питателя колеблется от 200 до 6000 и зависит от требуемых диаметра элементарных волокон и их линейной плотности. Под фильер-ной пластиной между рядами фильер располагают ребра или трубки, служащие для быстрого охлаждения стеклянных волокон и стабилизации процесса их вытягивания.

Волокнистые наполнители (Элементарные волокна) после фильер собираются в комплексную нить, которая проходит через замасливающее устройство в виде смоченного определенным составом валка (ленты), и далее, пройдя через нитесборник и раскладчик, наматывается на вращающуюся бобину, установленную на наматывающем аппарате.

Автор:

доцент кафедры Механика композиционных материалов и конструкций, кан. техн. наук

А.В. Бабушкин

Город: Пермь

Год: 2007

Высокопрочная проволока

Высокопрочная проволока из нержавеющей стали — один из наиболее распространенных упрочнителей КМ. Преимущества высокопрочной проволоки из нержавеющей стали заключаются в большей теплостойкости и наличии пассивной поверхности, слабо взаимодействующей не только с атмосферой, но и с матричным материалом. Наибольшей эффективностью при изготовлении металлокомпозитов (например, на основе Al матрицы) обладают волокна из мартенситно стареющих сталей.Технологический процесс производства проволок из мартенситно стареющих сталей, также как и из прочих нержавеющих сталей включает волочение заготовок, получая катанку диаметром 6000 мкм с предварительным их прогревом и последующей окончательной калибровочной протяжкой через алмазные фильеры.Стабильные механические характеристики мартенситно стареющих сталей получают гомогенизацией заготовок при t=1200..1300 °C в теч. 2х часов. С этих же температур производят закалку, которая придает мартенситно стареющим сталям очень высокую пластичность.

Завершающей операцией получения проволок из мартенситно стареющих сталей является старение, которое придает им высокую прочность. Его проводят при t=500..530 °C в течении 6..8 часов.

Большинство высокопрочных стальных проволок чувствительны к поверхностным и
внутренним дефектам, поэтому, при растяжении проволок, средняя прочность снижается.

Основное снижение предела прочности и пластичности приходится на область баз (расстояние м/у захватами испытательных машин, относительно малой длины). Малые базы:
10d<=1<=100d, а с увеличением длины базы прочность убывает незначительно. Высокопрочная проволока применяется в виде однонаправленных лент при изготовлении слоистых и сэндвичевых КМ, но чаще перерабатывается в полотняные сетки и сетки трикотажного плетения, аналогично стекловолокнам, которые используют для производства КМ с ориентацией арматуры в 2х направлениях. Стальные проволоки часто используют в КМ каркасного типа.

Автор:

доцент кафедры Механика композиционных материалов и конструкций, кан. техн. наук

А.В. Бабушкин

Город: Пермь

Год: 2007

Проволоки из вольфрама и молибдена

Проволоки из вольфрама и молибдена имеют высокие прочность и жесткость. К тому же, они имеют еще одно положительное свойство: благодаря свои свойствам они используются для изготовления КМ на основе жаропрочных матриц: Cu, Ni, Co, Ti и их сплавов.Технологическая схема производства Wf проволоки включает следующие стадии:

  1. Прессование смеси порошков с получением штабиков;
  2. Спекание штабиков в атмосфере водорода;
  3. Глубокий прогрев металла с целью сварки штабиков при температуре близкой к температуре плавления;
  4. Высокотемпературная обработка давлением с целью образования компактной прутковой заготовки d=2.75 мм без предварительного отжига.
  5. Волочение на барабанных станах, начиная с t=1000 °C и заканчивая t=600 °C. Должны быть промежуточные отжиги при высоких температурах (1500 °C).

Технология изготовления проволоки из вольфрама и молибдена аналогичны.
Волочение ведется с большим коэффициентом вытяжки и без промежуточных отжигов.

Проволоки из вольфрама и молибдена в деформированном состоянии обладают высокой прочностью и длительной прочностью при повышенных и комнатных температурах. Предел текучести Wf проволоки
при t=1000 °C 2140 МПа.

Механические свойства Wf сильно зависят от скорости деформирования, особенно в области перехода из пластического состояния в хрупкое. Модуль упругости Wf при t=25 °C 410 ГПа, при t=2400 °C 227 ГПа, модуль сдвига тянутой Wf проволоки увеличивается с возрастанием степени деформирования и для тонких проволок, d=50..120 мкм G(25)=220 ГПа.

Автор:

доцент кафедры Механика композиционных материалов и конструкций, кан. техн. наук

А.В. Бабушкин

Город: Пермь

Год: 2007

Термореактивные полимеры, применение

Термореактивные полимеры, применение под воздействием тепла отвердители катализаторов переходят в твердое состояние (отверждаются), причем этот процесс необратим, то есть при последующем охлаждении или нагреве они не размягчаются. В исходном состоянии имеют циклическую или линейную структуру, при нагревании часто в первоначальный момент размягчаются, легко растворяются в специальных растворителях.Термореактивные смолы получают из мономеров, имеющих более 2х функциональных групп. В процессе отверждения мономерные цепочки увеличиваются в 2х или 3х направлениях, образуя макромолекулы сетчатого или пространственного строения, все структурные элементы которых соеденины друг с другом прочными ковалентными связями. Отвержденное состояние такого полимера называют термостабильным.

В производстве КМ используют термореактивные связи на основе:

  1. Ненасыщенных сложных эфиров;
  2. Эпоксидных связующих;
  3. Фенолоформальдегидных смол резольного типа;
  4. Полиэмидов.

Полиэфирные связующие на основе ненасыщенных сложных эфиров (полиэфирмалеинаты, алигоэфиркрилаты) в промышленности термореактивные полимеры, применение которой являются наиболее распространенными из-за наименьшей токсичности, так как отвердитель входит в состав полимера, но имеют относительно низкие механические свойства.

Автор:

доцент кафедры Механика композиционных материалов и конструкций, кан. техн. наук

А.В. Бабушкин

Город: Пермь

Год: 2007

Полимерные связующие

Технологические особенности термореактивных полимерных связующих нам уже известны. Полимерные связующие получают двумя методами: полимеризация и поликонденсация. Эти процессы сопровождаются уменьшением объема (усадкой). Такое уплотнение при переходе мономера или олигомера в полимер связано с сокращением межмолекулярного расстояния с 3-4 до 1.5 ангстрем.
Полимерные связующие заключается в разрыве двойной связи и образовании из молекул мономера линейной (сетчатой, пространственной) макромолекулы полимера (полиэфирмалеинаты, алигоэфиркрилаты).Реакция поликонденсации — реакция между химически активными функциональными группами, приводящая к образованию нового вещества из остатка связанного с этими группами, с одновременным выделением молекулы низкомолекулярного соединения (воды, спирта, хлористого водорода, и т. д.). Пример — полифомальдегидные смолы.

Для получения методом поликонденсации полимера с высоким молекулярным весом необходимо полнее удалять выделенный при реакции низкомолекулярный компонент. Отверждение такого связующего начинается с момента его приготовления и заканчивается в готовом изделии.
Физико-химией полимеров установлено: вязкость полимеров возрастает с повышением молекулярного веса, одновременно повышается и его прочность. Возникает противоречие: снижая молекулярный вес, получаем выигрыш по технологическим параметрам, но проигрываем в свойствах
конечного продукта, и наоборот.

Особенность реактопластов, затвердевающих в реакциях поликонденсации состоит в том, что при их переработке возникает много так называемых «поперечных сливок», то есть жидких отходов. Это позволяет работать при низкой вязкости исходных компонентов, получая при этом высокие свойства конечного продукта. Эта особенность хороша с технологической точки зрения тем, что стадию первичного формования реактопластов (благодаря возможности регулировать вязкость реактопластов за счет скорости отвода третьего компонента) можно производить при минимуме усилий. Формование иногда происходит под собственным весом полимерные связующие.

Автор:

доцент кафедры Механика композиционных материалов и конструкций, кан. техн. наук

А.В. Бабушкин

Город: Пермь

Год: 2007

Полимерные матрицы

Температура длительной эксплуатации полимерных КМ не превосходит 100 °C, а КМ на основе фенолформальдегидных смол выдерживают тепловую нагрузку до 200 °C. Термостойкие полимерные матрицы фениленовые звенья чередуются с гибкими (амидными или сульфидными). Температура длительной эксплуатации таких полимеров достигает 400 °C. Кроме таких полимеров создается новый класс: полимеры с жесткими цепями, в которые вводятся жесткие гетероциклы. Циклические структуры устойчивы до 600 °C и выше. Практический интерес представляют в полимерные матрицы — ароматические полиамиды, полифиниленоксид, полисульфон, гетероциклические полиамиды, полиоксибензолы.

Длительная стойкость полисульфонов — до 250 °C, ароматических полиамидов — до 300 °C. Общий недостаток- требуют повышенных температур формования (300 °C), эфир-кетон с теплостойкостью до 350 °C требует температуры формования 400 °C.

Автор:

доцент кафедры Механика композиционных материалов и конструкций, кан. техн. наук

А.В. Бабушкин

Город: Пермь

Год: 2007

Свойства углеродных материалов

Свойства углеродных материалов, также особенности графита и углеграфитовых соединений являются:
Повышение прочности с повышением температуры. Большинство углеграфитовых материалов имеют максимальную прочность в диапазоне температур 2400-2800 °C, при температуре свыше 3200 °C прочность у них такая же, как при комнатной температуре.
Графит и углеграфитовые материалы имеют 2 области разупрочнения: 1я — в диап. темп. 500-700 °C, 2я – 1500-2500 °C. Однако, углеграф. материалы и графит имеют низкую стойкость к термическому удару, то есть быстрый нагрев приводит к разрушению, и невысокую химическую стойкость. Для повышения прочностных характеристик (сопротивлению термического удара в частности) в углеродную матрицу вводят углеродный же наполнитель, такие КМ получили название УУКМ. 
Классификация в зависимости от способа получения и состава:

  1. Коксовая;
  2. Пироуглеродная;
  3. Комбинированная;
  4. Модифицированная (легированная).

Прочностные и термические свойства УУКМ во многом определяются структурой и степенью адгезии углерод-коксовой матрицы к армирующему наполнителю.

Формирование углерод-коксовой матрицы происходит в процессе термохимического преобразования исходного матричного материала -углеводородосодержащего (углеродсодержащего) вещества. К исходным веществам для получения углерод-коксовой матрицы предъявляются следующие требования:

  1. Высокий выход углерода (60-80%) при карбонизации и его способность к графитации;
  2. Низкое давление паров в процессе карбонизации и отсутствие вспенивания при фазовом переходе углерода в твердое состояние;
  3. Термопластичность в процессе пиролиза и химическое взаимодействие с армирующими волокнами для увеличения их адгезионной связи с формирующей углеродной матрицей.

Для получения коксовой матрицы с высокими свойствами используют полимерные смолы и пеки, дающие структурированный углерод с высокой адгезией к армирующему наполнителю. Чаще всего в качестве смол применяют фенольные, фурфуриловые, полиамидные, реже эпоксидные смолы и полимеры на основе бензола и др.

Полимерные, в том числе олигомерные смолы, используемые в качестве сырья для получения углеродных матриц, должны содержать большое количество ароматических углеводородов, иметь высокую молекулярную массу, развитые поперечные связи, образовывать кольцевые связи в процессе карбонизации, с тем, чтобы при карбонизации получался высокий выход кокса, способного к графитации.
Следует выделить 2 наиболее характерные группы реакций, происходящих при термохимической обработке полимерных смол:

  1. Деполимеризация и циклизация (360-400 °C). При циклизации происходит глубокая деструкция полимера с выделением газообразных и жидких продуктов пиролиза и наблюдается наибольшая потеря массы.
  2. Рекомбинация и поликонденсация (400-1000 °C).

При температурах свыше 1000 °C начинаются преобладать структурно-химические процессы преобразования кокса.
К пространственным полимерам, дающим высокий выход углерода относятся материалы на основе фенолформальдегидных смол. Так у смолы СФ-490 коксовое число 59%, у СФ-010 — 68%, у ПАИС-104 — 63%.

Наиболее перспективным и прогрессивным направлением является использование в качестве сырья пеков, поскольку они имеют преимущества: доступность и относительно низкую стоимость, высокое содержание углерода при сохранении термопластичность, способность к графитации
подготовленных мезофазных пеков.

Обычно к пекам относят твердые, но плавкие продукты термических превращений асфальтосмолистых веществ, полученных из нефти, каменного угля или другого органического сырья.

В зависимости от применяемого сырья пеки подразделяют на:

  1. Нефтяные кислые гудроны;
  2. Нефтяные крекинговые пеки;
  3. Каменноугольные пеки;
  4. Полихлорвиниловые пеки;
  5. Тетрабензофенозиловые пеки.
  6. Нефтяные бенизмы.

Химический состав и свойства пеков изменяются в широких пределах в зависимости от природы исходного сырья и условий технологических процессов образования пеков.

Характеристики каменноугольных пеков:

  1. Температура размягчения 94-107 °C;
  2. Вязкость при 50 °C 30-50;
  3. Нерастворимость бензолом 24-28%;
  4. Нерастворимость фенолом 2-7%;
  5. Коксовое число 52-62%;
  6. Плотность 1.28-1.31 г/см3;
  7. Содержание серы 0.1-0.6%;
  8. Зольность 0.2-0.5%.

При нагревании пеков до 400-500 °C и выше образуется кокс. Получение пека можно рассматривать как определенную стадию карбонизации органического вещества, предшествующую коксообразованию. В определенных условиях в пеках может зарождаться и расти так называемая жидкокристаллическая фаза (мезофаза), которая в дальнейшем обеспечивает образование анизотропного графитирующего кокса. В связи с этим в настоящее время различают пеки изотропные (обычные, немезофазные) и анизотропные (мезофазные). Анизотропная структура всех графитирующих коксов формируется через мезофазное превращение в диапазоне температур 390-530 °C и представляет собой фазовый переход в такое жидкое состояние, в процессе которого большие ароматические молекулы изотропной пековой массы располагаются в параллельных плоскостях, образуя «жидкие кристаллы». «Жидкие кристаллы»мезофазы начинают образовываться при температурах 390-450 °C. При низкотемпературной карбонизации (550-650 °C) происходит фазовый переход мезофазы в твердый полукокс. Этот процесс сопровождается вспучиванием под действием выделяемых газов, что ведет к образованию мелкопористой структуры кокса. При вспучивании происходит глубокая деформация кокса, что приводит к увеличению дефектных структур на несколько порядков и при последующей обработке — к возникновению усадочных раковин. В общей схеме карбонизации наиболее ответственным этапом является регулирование, которое должно обеспечивать ароматизацию исходного сырья, а не распад его на газообразные продукты, так, чтобы образовывались конденсированные ароматические системы, так как даже простейшие из них (нафталин или антрацен) не образуют при пиролизе бензол, а склонны к образованию высокомолекулярных моноядерных продуктов уплотнения углерода.

В этом отношении нефтяное и каменноугольное сырье является наиболее перспективным, так как содержит ароматические конденсированные ароматические соединения, а также соединения, склонные к ароматизации при повышенной температуре. Из разных составов нефти предпочтительными являются высокоциклические и ароматические.

Дальнейшее формировании структуры и свойств углерод-коксовой матрицы зависит от условий термообработки, которую можно условно разделить на несколько стадий:

  1. Карбонизацию (900-1400 °C) — разложение органических соединений и формирование углерод-углеродной структуры кокса.
  2. Предкристаллизацию (1400-2000 °C) — упорядочение атомов C в более совершенную структуру с образованием так называемых переходных форм углерода.
  3. Гомогенная граффитизация (2000-3000 °C) — превращение переходных форм углерода в кристаллический графит.

На процессы структурирования свойства углеродных материалов (слоев) при термообработке оказывает влияние давление, которое на основе принципа Ле-Шателье-Броуна должно смещать процесс формирования в область более низких температур. При температуре > 2200 °C и атмосферном давлении наблюдается текучесть углеродных слоев, так называемый крип, скорость которого растет с температурой и давлением.

Крип способствует подвижности, росту упорядоченности углеродных слоев. При давлении 1000 МПа и температуре 1000 °C структурная трехмерная упорядоченность нефтяного кокса заканчивается.

Давление при карбонизации оказывает решающее значение на выход углерода. При давлении 1000 МПа и температуре 600 °C выход кокса по сравнению с обычным вариантом увеличивается в 2 раза, что связано с большей степенью ароматизации при разложении углеродных веществ.

Свойства углеродных материалов (Нефтяные каменноугольные пеки) образуют мягкий, хорошо граффитирующий углерод.

Автор:

доцент кафедры Механика композиционных материалов и конструкций, кан. техн. наук

А.В. Бабушкин

Название: Конструкционные и функциональные волокнистые композиционные материалы

Город: Пермь

Год: 2007

Пироуглерод

Пироуглерод — продукт разложения углеродсодержащих соединений на горячих поверхностях. Может быть получен при пиролизе этих соединений в конденсированной фазе. Однако, более распространен метод осаждения из гомогенно или гетерогенно разлагающихся газов и паров. Понятие пироуглерод объединяет различные материалы, отличающиеся структурой и свойствами, но «родственные» только по принципу получения их из парогазовой фазы.Пироуглерод — монолитное углеродное тело, образующееся на нагретых каталитически неактивных поверхностях.

Углеродные нити имеют форму цилиндрических игл или волокон, дина которых на несколько порядков превышает их диаметр. Углеродные нити получают на каталитически активных участках поверхности, представляющих собой либо участки, содержащие атомы металла, прежде всего Fe,
либо места дислокаций.

Известны 2 основных вида пироуглерода, структура и свойства которых определяется температурой образования:

  1. Низкотемпературный – 1000-1200 °C;
  2. Высокотемпературный – 1400-2200 °C.

Полученный в интервале 1500-2500 °C при концентрации метана 15% пироуглерод, состоит из конусов роста (пироуглеродная или слоистая структура). Изотропный углерод (сажа + хаотично слоистая структура). Переходный вид, содержащий области слоистых образований и изотропного углерода.
При газофазном осаждении образуется, как правило, пироуглерод, состоящий из конусообразных фрагментов. Он может иметь как четко выраженную форму глобулярной структуры, так и микроструктуру.

Особенностью пироуглеродной матрицы является сильно выраженная анизотропия физико-механических свойств в слоистых глобулярных структурах по направлениям параллельными и перпендикулярным плоскости осаждения. Особенно это существенно для прочности на сжатие и КЛТР. В направлениях параллельных плоскости осаждения прочность на сжатие в 3-5 раз ниже, а КЛТР на порядок выше чем в перпендикулярном направлении.

Установка для газофазного осаждения.

Установка состоит из реактора, станции управления, системы подачи природного газа, системы вакуумирования, водоохлаждающей системы и силового электрооборудования.

Заготовка — углеродный каркас — устанавливается на графитовые нагреватели, зажатые между тоководами. После вакуумирования камеры в реактор подают природный газ. Нагрев осуществляется прямым пропусканием тока через нагреватель, контроль температуры — подвижными хром-алюминиевыми термопарами, размещенными в кварцевых чехлах. В начале процесса термопара устанавливается спаем у поверхности нагревателя и в ходе процесса перемещается. При принятой схеме уплотнения пироуглеродом фронт пиролиза смещается вместе с термопарой от центра заготовки к периферии по мере разогрева элементарных слоев или волокон до температуры разложения природного газа. При газофазном охлаждении пироуглерода критерием установившегося технологического процесса и достаточно надежным параметром оптимизации функции управления (процесса) является одна из основных
характеристик пироуглеродного материала — плотность.

Автор:

доцент кафедры Механика композиционных материалов и конструкций, кан. техн. наук

А.В. Бабушкин

Название: Конструкционные и функциональные волокнистые композиционные материалы

Город: Пермь

Год: 2007

Комбинированная матрица

Формирование УУКМ

Комбинированная матрица формировании УУКМ связано, обычно, с наполнением жесткого каркаса углеродных волокон углеродной матрицей. Заполнение каркаса углерод-коксовой матрицей может проводиться, например, путем карбонизации под давлением. Пироуглеродную матрицу получают газофазным осаждением, но тот или иной метод имеет свои плюсы и не лишен и недостатков (невысокие прочностные свойства матрицы при жидкофазном методе, большие энергозатраты при газофазном методе и др.). Поэтому часто применяют так называемый комбинированный или комплексный метод формирования углеродной матрицы, который сочетает в той или иной последовательности пропитку пеком (смолой) с последующей карбонизацией и уплотнение (доуплотнение) пироуглеродом из газовой фазы. Таким образом комбинированная матрица УУКМ состоит, как правило, из углеродных волокон, пироуглерода и углерод-кокса. Наряду с доуплотнением, для повышения стойкости к окислению, термостойкостью и т.д.

Графитация УУКМ

УУКМ часто подвергают графитации. Для этого используют термообработку в диапазоне температур 2000-3000°С. Морфология углеродной матрицы после графитации зависит от конкретной температуры термообработки. Углерод, сформировавшийся при температуре 2000 °C имеет склонность образовывать смешанные квазикристаллические структуры. Для него характерно отсутствие последовательности в размещении кристаллов, слои графита непараллельны, разорваны, перемешаны. Расстояние между базовыми (основными) плоскостями, характеризующее степень упорядоченности углеродной матрицы относительно велико: 3.44 ангстрема.

Тепловая обработка

Комбинированная матрица в процесс тепловой обработки при 3000 °C состоит в превращении неупорядоченного материала, содержащего дефекты основных или базовых плоскостей, в материал, состоящий из основных плоскостей, свободных от дефектов. Это превращение сопровождается уменьшением расстояния м/у основными плоскостями до величины, близкой к расстоянию между основными плоскостями в одиночном кристалле графита (3.35 ангстрема). Происходит уплотнение материала и изменение его свойств — материал приобретает высокую электрическую проводимость и теплопроводность.

Автор:

доцент кафедры Механика композиционных материалов и конструкций, кан. техн. наук

А.В. Бабушкин

Название: Конструкционные и функциональные волокнистые композиционные материалы

Город: Пермь

Год: 2007