Углеродная матрица

Модифицированная (легированная) углеродная матрица материалов означает введение в материал различных элементов или их композиций. Легирование углеродной материалов преследует следующие цели:
  1. Изменение химических и физических свойств материала в результате образования твердых растворов и комплексов.
  2. Использование донорных и акцепторных элементов для изучения электронной структуры и направленное изменение электрических свойств.
  3. Влияния на структуру преобразования в процессе термической обработки исходных органических соединений.

Вводимые в материал атомы делятся на 2 категории:

  1. Атомы с объемом, близким к объему атома углерода, то есть способные заменить его в кристаллической решетке (Si, B, N, O);
  2. Атомы с объемом большим объема атома углерода, однако способные замещать углерод, несущественно изменяя решетку графита.

Наиболее эффективно замещает атомы C в слое B. B и его соединения является также катализаторами процесса графитации. Вводят их в количестве 3§5% по массе в исходный материал при жидкофазном формировании углеродной матрицы, а также в предварительно карбонизированный углеродный материал. Каталитическая активность бора проявляется уже при низкотемпературной графитации (2350 °C). Под влиянием соединений B происходит гомогенная граффитация углерода, с образованием совершенной трехмерной структуры.

В качестве легирующих добавок также используют карбидообразующие элементы IV группы периодической системы, которые оказывают существенное влияние на физико-химические свойства получаемых графитов и УУКМ. Эти элементы не входят в решетку графита, а локализуются в виде небольших карбидных включений в объеме материала. Они ускоряют процесс совершенствования структуры во время термообработки. Уникальными свойствами обладают композиции такого типа:

  • графит — карбид кремния — кремний или так называемый силицированный графит.

Силицированные углеграфитовые материалы обладают большой износоустойчивостью и низким коэффициентом трения, высокой термической и химической стойкостью, более высокой температурой окисления (1350-1550К), повышенной эрозионной стойкостью, меньшим давлением паров и скоростью
испарения, высокой твердостью.

Боросилицированная углеродная матрица отличаются от силицированных повышенной жаростойкостью, что связано с образованием на поверхности изделий сплошной, самовосстанавливающейся боросиликатной пленки, обладающей повышенной термостойкостью и твердостью карбидной фазы. Изделия из боросиликатных материалов способны длительное время работать на воздухе при темпер. до 1500 °C, выдерживают многократные резкие теплосмены от 20 °C до 2350 °C и практически не смачиваются расплавленными цветными металлами. Введение бора, кремния и карбида кремния в состав фенолформальдегидных смол и олигомеров повышает выход кокса при карбонизации до 78%.
Соединения Cr, Mn и Mo также оказывают катализирующее действие на граффитацию углеродной матрицы. Так, окись Mo и оксид Cr вызывает каталитическую граффитацию уже при температуре 1250 °C.

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