20.08.2015
216.013.6eeb

КОМПОЗИЦИЯ ТОНКОСТЕННЫХ ТРУБЧАТЫХ ЭЛЕМЕНТОВ И СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТОНКОСТЕННЫХ ТРУБЧАТЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Вид РИД

Изобретение

Юридическая информация Свернуть Развернуть
№ охранного документа
0002559965
Дата охранного документа
20.08.2015
Краткое описание РИД Свернуть Развернуть
Аннотация: Изобретение относится к области получения тонкостенных трубчатых элементов на основе карбида кремния. Технический результат изобретения заключается в повышении термо-, радиационно- и химической стойкости изделий. Осуществляют совместный вибропомол смеси карбида кремния (71-79 мас.%) и фенолформальдегидной смолы (10-25 мас.%). Смешивают полученный порошок с пластификатором (5-15 мас.%), проводят таблетирование шихты, непрерывное формование трубчатых изделий при температуре 80-120°C, предварительную карбонизацию до температуры не менее 500°C со скоростью нагрева не более 8°C/час. Окончательную карбонизацию до температуры не менее 900°C проводят со скоростью нагрева не более 75°C/час с последующим силицированием образца. 2 н.п. ф-лы, 2 табл.
Реферат Свернуть Развернуть

Изобретение относится к области получения тонкостенных трубчатых элементов из термостойких, радиационностойких и химически стойких материалов на основе карбида кремния. Изделие предназначено для использования в системах охлаждения перспективных реакторов, а также в любых агрессивных средах, сохраняя длительную работоспособность при температурах более 700°C.

Известна графитсодержащая композиция для получения силицированных изделий, включающая углерод (графит), карбид кремния и связующее при следующем соотношении: графит - 2-70 масс.%; связующее - 10-30 масс.%; карбид кремния в виде порошка - остальное. Соотношение фракций карбида кремния следующее: (-250+91) мкм - 50-70 масс.%; менее 90 мкм - 30-50 масс.% [1].

Материал, изготовленный по данному способу, может быть использован при получении подшипников, уплотнений насосов, облицовочных плит, волокон. Однако данный материал в силу отсутствия пластичности даже при нагреве не может быть использован для формования из него тонкостенных трубчатых изделий. Также высокое содержание графита в исходной шихте приводит к снижению химической, термической и радиационной стойкости конечного продукта.

Наиболее близким техническим решением к предполагаемому является способ получения композитного материала на основе β-SiC, включающий: получение смеси, называемой «смесь-предшественник», содержащей, по меньшей мере, один предшественник β-SiC и, по меньшей мере, одну углеродсодержащую смолу, предпочтительно термоотверждаемую; формование указанной смеси-предшественника, в частности, в виде труб, для получения промежуточного изделия; полимеризацию смолы; введение указанных промежуточных изделий в емкость и закрытие указанной емкости с помощью негерметичного средства для закрывания, позволяющего избежать повышения давления газа; термообработку указанных промежуточных изделий при температуре 1100-1500°C для удаления органических компонентов смолы и образования β-SiC в конечном изделии.

Изделия, полученные указанным способом, могут быть использованы в качестве внутренней облицовки электролизной ванны расплавленной соли или внутренней облицовки печи прокаливания.

Плотность образцов, изготовленных по данной технологии, варьируется в пределах 2,45-3,75 г/см3 [2]. Однако изделия, изготовленные по данной технологии, не могут иметь состава, близкого к стехиометрическому. Это приводит к снижению физико-механических свойств, а также к снижению химической, реакционной и радиационной стойкости, что ограничивает область их применения [3-5].

В основу изобретения поставлена задача получения шихты достаточной пластичности, необходимой для формования тонкостенного трубчатого элемента заданной геометрии, и в то же время с высоким (более 80%) содержанием карбида кремния в составе конечного продукта, которое обеспечивало бы высокую термо-, радиационно- и химическую стойкость конечных изделий.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что способ получения тонкостенных трубчатых элементов включает в себя получение смеси, содержащей карбид кремния и фенолформальдегидную смолу, и отличается тем, что в состав смеси дополнительно вводится пластификатор, перед стадией непрерывного формования трубчатых изделий при температуре 80-120°C производится таблетирование или грануляция шихты, термообработка производится в два этапа: предварительная карбонизация до температуры не менее 500°C со скоростью нагрева не более 8°C/час и окончательная карбонизация до температуры не менее 900°C со скоростью нагрева не более 75°C/час; заключительным этапом получения композитного материала является силицирование.

Композиция тонкостенных трубчатых элементов включает в качестве наполнителя первичный карбид кремния с размерами частиц 1-50 мкм, фенолформальдегидную смолу, пластификатор, при следующем массовом соотношении компонентов, масс.%:

первичный карбид кремния - 71-79%;

фенолформальдегидная смола - 10-25%;

пластификатор 5-15%.

Необходимость использования карбида кремния в качестве основного наполнителя в шихте обусловлена задачей получения плотности конечного изделия, близкой к теоретической. Реакция Si+C=SiC идет с уменьшением объема.

Поэтому использование карбида кремния минимизирует количество кремния, необходимого для связывания зерен SiC наполнителя (первичного SiC) вторичным SiC, образованным из остаточного углерода заготовки и Si, поступающего в заготовку во время операции пропитки. Соответственно, использование порошка Si или смеси порошков Si и C вместо порошка SiC с минимумом связующего в составе исходной шихты (при одинаковой пористости) снижает плотность полученных заготовок. Данное утверждение легко проверить соответствующими расчетами.

Однако именно образцы с высоким содержанием SiC и минимумом связующего являются наиболее трудным, а зачастую просто невозможным объектом для осуществления процесса непрерывного формования изделий.

Образцы с большим содержанием первичного карбида кремния (от 80 масс.% и более) на выходе из фильеры имеют поперечные трещины, неровности и разрывы. Также большое содержание первичного карбида кремния в шихте приводит к резкому увеличению давления прессования и к невозможности формования из-за ограничений мощности применяемого оборудования вплоть до выхода его из строя.

Можно заметить, что изделия с содержанием первичного карбида кремния 70 масс.% и менее и большим содержанием связующего хуже проходит стадию термообработки: вспучиваются, трескаются, теряют форму.

Образцы трубчатых изделий, полученные на крупном зерне с размером частиц первичного карбида кремния более 50 мкм, обладают более низкой плотностью и худшими физико-механическими свойствами [6].

Использование в качестве наполнителя карбида кремния с более мелким размером зерна (менее 1 мкм) резко снижает пластичность шихты [6], что приводит к невозможности проведения процесса формования тонкостенных трубчатых элементов.

В качестве связующего берутся твердые фенолформальдегидные смолы в количестве 10-25 масс.%. Однако количество связующего нельзя уменьшать менее чем 10 масс.% вследствие ухудшения формуемости и уменьшения количества коксового остатка, необходимого для образования вторичного карбида кремния.

В качестве пластификатора может использоваться стеарат цинка, парафин, глицерин в количестве 5-15 масс.%. Он добавляется для придания пластичности и формуемости.

Недостаток количества пластификатора (менее 5 масс.%) приводит к резкому снижению пластичности шихты, что приводит к невозможности проведения процесса формования тонкостенных трубчатых элементов.

Избыток пластификатора, и/или связующего выше необходимого уровня, обеспечивающего формуемость, приводит к повышенному газовыделению на стадии карбонизации и вспучиванию труб.

Способ получения тонкостенных трубчатых элементов согласно изобретению включает: совместный вибропомол смеси карбида кремния и связующего; смешение полученного порошка с пластификатором; таблетирование или грануляция шихты; непрерывное формование трубчатых изделий при температуре 80-120°C; предварительную карбонизацию до температуры не менее 500°C со скоростью нагрева не более 8°C/час; окончательную карбонизацию до температуры не менее 900°C со скоростью нагрева не более 75°C/час; для конечной операции - силицирования - использовали металлический кремний КР-0 (ГОСТ 2169-69). Силицирование проводили методом орошения в электровакуумной печи.

При производстве данного материала используется стандартное оборудование [7-8].

Таблетирование/грануляция шихты необходима вследствие конструкционных особенностей формующего оборудования.

Температура проведения стадии формования выбрана опытным путем и составляет 80-120°C. При снижении или повышении температуры за обозначенные рамки происходит резкое снижение вязкости шихты, что приводит к невозможности проведения процесса непрерывного формования.

Основные процессы предварительной карбонизации, процессы полимеризации связующего и удаление пластификатора сопровождаются наибольшим газовыделением и проходят при температуре 150-450°C, следовательно, скорость нагрева в данном интервале температур должна быть минимальной. Скорость нагрева не более 8°C/час была подобрана экспериментально.

При проведении окончательной карбонизации при температуре 500-900°C значительно снижается газовыделение, происходят незначительные усадки. Снижение скорости нагрева менее чем 75°C/час - не имеет необходимости, а подъем скорости нагрева выше 75°C/час может привести к возникновению пузырей и трещин в образце. При температуре 900°C происходит окончательная карбонизация связующего.

Пример конкретного выполнения.

Шихту, состоящую из 800 г SiC марок М40, М7 (зерновой состав соответствует ГОСТ 3647-80, химический состав соответствует ГОСТ 26327-84) со средним размером частиц 45-50 мкм и 200 г фенольной смолы пульвербакелит СФП-012А1 (ТУ 2257-074-05015227-2002) подвергли совместному смешиванию и измельчению в шаровой мельнице. К полученной массе добавили 100 г стеарата цинка (ТУ 6-09-17-316-96). Смешение данной массы проводили на вибрационном смесителе в течение времени, необходимого для получения однородной шихты. Таблетирование шихты проводили на вертикальном гидравлическом прессе в цилиндрическую матрицу. Стадию непрерывного формования трубчатых изделий проводили на горизонтальном шранг-прессе с использованием обогреваемой трубной головки с заданной геометрией при температуре 80-120°C. Предварительную карбонизацию до 500°C проводили в печи СНОЛ со скоростью нагрева 8°C/час. Окончательную карбонизацию до 900°C проводили в печи СНОЛ со скоростью нагрева 75°C/час. Термообработанную трубу силицировали в вакуумной печи по стандартным режимам. Для конечной операции - силицирования - использовали металлический кремний КР-0 (ГОСТ 2169-69).

В приведенной ниже таблице №1 представлены данные по плотностям и фазовому составу полученных образцов тонкостенных карбидкремниевых трубчатых изделий.

В таблице 2 представлены режимы формования и термообработки изделий.

Таблица 1
Опробованные варианты композиций и фазовый состав полученных изделий
SiC, масс. % масс. % ФФС масс.% Пластификатора Размер частиц исходного SiC, MKM Фазовый состав полученного изделия Плотность, г/см3
SiC, масс.% Si, масс.% с, масс. %
1 70 15 15 +50 72,8 21,6 5,6 2,47
2 80 7 13 1-50 На выходе из фильеры образцы имели поперечные трещины, неровности и разрывы даже при увеличении давления прессования
3 72 25 3 -1 При последующей термообработке образцы вспучились, трескались и теряли форму
4 71 19 10 1-50 80,3 18,5 1,2 2,86
5 75 10 15 +50 75,9 22,7 1,4 2,60
6 75 15 10 +50 75,8 21,3 2,9 2,73
7 75 20 5 +50 74,1 22,0 3,9 2,64
8 75 10 15 1-50 85,1 14,9 0 2,93
9 75 15 10 1-50 89,7 10,3 0 3,06
10 75 20 5 1-50 85,9 12,8 1,3 2,97
11 75 10 15 - 1 77,2 20,8 2,0 2,73
12 75 15 10 - 1 79,5 17,2 3,3 2,78
13 75 20 5 - 1 75,8 19,6 4,6 2,74
14 79 13 8 1-50 85,5 14,5 0 2,90
15 80 15 5 +50 78,4 18,3 3,3 2,53
16 71 27 3 1-50 При последующей термообработке образцы вспучились, трескались и теряли форму
17 72 11 17 -1 На выходе из фильеры образцы имели поперечные трещины, неровности и разрывы даже при увеличении давления прессования

Как видно из таблицы №1, образцы с размером частиц наполнителя в диапазоне 1-50 мкм имели максимальное содержание фазы SiC и максимальную плотность (образцы 2, 8-10, 14). Содержание в исходной шихте первичного карбида кремния от 80 масс.% и более приводит к снижению плотности изделий, а также снижению вязкости формуемой шихты, что приводит к резкому увеличению давления формования или невозможности формования изделий (образец 2). Снижение содержания карбида кремния ниже 71 масс.% не позволит получить изделия с большим содержанием SiC в итоговой шихте (образец 1). Избыток связующего и пластификатора приводит к невозможности формования изделий правильной формы (образец №17) или к отбраковке изделий после стадии термообработки (образце №16).

Таблица 2
Режимы формования и термообработки изделий
Формование Предварительная карбонизация Окончательная карбонизация
Температура, °C Результат Температура, °C Скорость нагрева, °С/час Результат Температура, °C Скорость нагрева, °C/час Результат
1 60 Не сформована труба - - - - - -
2 80 + 400 10 Обилие пузырей и трещин на изделии - - -
3 100 + 500 8 + 900 75 +
4 120 + 600 6 + 800 100 Обилие пузырей
и трещин на изделии
5 140 Не сформована труба - - - - - -

Образцы 1 и 5 не были сформованы из-за высокой вязкости шихты при данных температурах. Образец 2 не прошел стадию предварительной карбонизации из-за высокой скорости нагрева. Выделяющиеся летучие вещества не успевают удалиться через поры изделия, что приводит к браку. Образец 4 не прошел стадию окончательной карбонизации из-за высокой скорости нагрева. Выделяющиеся летучие вещества не успевают удалиться через поры изделия, что приводит к браку. Образец 3 прошел все стадии термообработки и сохранил свою геометрию.

Источники информации

1. Патент РФ №2174947 от 20.10.2001. Заявка: 2000102869/12 от 09.02.2000.

2. Патент РФ №2375331 от 10.12.2009. Заявка: 2006144450/03 от 10.05.2005.

3. Самойлов В.М., Водовозов А.Н., Смирнов В.К., Зайцев Г.Г. Физико-механические и теплофизические свойства керамики на основе SiC; Неорганические материалы, 2011 г., том 47, №7, с. 1-6.

4. Snead L.L. Handbook of SiC properties for fuel performance modeling / L.L. Snead, T. Nozawa, Y. Katoh, T.S. Byun, S. Kondo, D. A. Petti // Journal of Nuclear Materials. - 2007 г. - №371. - p. 1-3.

5. Kim W. Fabrication and material issues for the application of SiC composites to LWL fuel cladding nuclear engineering and technology / W. Kim, D. Kim, J.Y. Park // 2013 august, VOL. 45 №4.

6. Гнесин Г.Г. Карбидкремниевые материалы; М. «Металургия», 1977 г., 216 с.

7. Сиденко П.М. Измельчение в химической промышленности. - М.: Недра, 1977. - 368 с.

8. Фиалков А.С. Процессы и аппараты производства порошковых углеграфитовых материалов. - М.: Аспект Пресс, 2008. - 688 с.

Источник поступления информации: Роспатент

Показаны записи 1-10 из 27.
27.02.2014
№216.012.a65f

Клей

Изобретение относится к области клеев на основе фенолоформальдегидных смол, которые могут быть использованы в металлургической, авиакосмической, автомобильной и других отраслях техники, где на клеевые соединения воздействуют умеренные (до 10-15 МПа) механические нагрузки и температуры от...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002508306
Дата охранного документа: 27.02.2014
27.04.2014
№216.012.bcae

Углеродсодержащая композиция для получения реакционно-связанного карбида кремния

Изобретение относится к области производства конструкционных изделий на основе реакционно-связанного карбида кремния, предназначенного для использования в машиностроении (торцовые уплотнения, подшипники скольжения), энергетических технологиях (распылительные форсунки), химических технологиях...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002514041
Дата охранного документа: 27.04.2014
27.06.2015
№216.013.5b46

Монолитный вкладыш опоры скольжения поворотной тележки пассажирских железнодорожных вагонов и электропоездов

Изобретение относится к машиностроению, а именно к монолитному вкладышу опоры скольжения поворотной тележки пассажирских железнодорожных вагонов и электропоездов. Монолитный вкладыш опоры скольжения поворотной тележки пассажирских железнодорожных вагонов и электропоездов установлен в коробке на...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002554907
Дата охранного документа: 27.06.2015
10.07.2015
№216.013.5d77

Способ термической обработки углеродосодержащих волокнистых материалов

Изобретение относится к области технологии получения высокотемпературных углеродных волокнистых материалов, используемых в качестве армирующих наполнителей композиционных материалов на основе полимерной, углеродной, керамической и металлической матриц, эксплуатируемых в условиях вакуума,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002555468
Дата охранного документа: 10.07.2015
10.08.2015
№216.013.6e54

Резистивный композиционный корунд-углеродный материал

Изобретение относится к области электротехнического, радиотехнического и электроэнергетического назначения. Композиционный резистивный материал содержит корунд, связующее на основе силикатного стекла, углеродсодержащую фазу, отличается тем, что корунд взят с размером частиц не более 50 мкм, а...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002559802
Дата охранного документа: 10.08.2015
20.08.2015
№216.013.6eec

Способ обжига крупногабаритных заготовок мелкозернистого графита изостатического прессования

Предлагаемое изобретение относится к производству крупногабаритных изделий из мелкозернистого графита с длиной более 800 мм и диаметром более 300 мм. Технический результат изобретения - повышение выхода годных крупногабаритных изделий мелкозернистого графита изостатического прессования за счет...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002559966
Дата охранного документа: 20.08.2015
20.08.2015
№216.013.7078

Углеродное высокомодульное волокно с модифицированной поверхностью для армирования композитов и способ ее модификации

Изобретение относится к технологии получения углеродных волокон в виде нитей, жгутов и касается углеродного высокомодульного волокна с модифицированной поверхностью для армирования композитов и способа ее модификации. Волокно имеет поверхность с гребневидными образованиями в виде гофров,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002560362
Дата охранного документа: 20.08.2015
20.10.2015
№216.013.84cd

Жаростойкая сотовая конструкция

Настоящее изобретение относится к области композитных конструкций, применяемых в качестве жаростойкого теплообменника или фильтра в летательных аппаратах гражданской авиации, авиакосмической и ракетной техники. Жаростойкая сотовая конструкция содержит сотоблок, заключённый в корпус, и состоит...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002565600
Дата охранного документа: 20.10.2015
20.11.2015
№216.013.900d

Способ пакетировки крупногабаритных заготовок мелкозернистого графита изостатического прессования при графитации

Изобретение может быть использовано при изготовлении конструкционных материалов. Способ пакетировки углеродных обожженных крупногабаритных заготовок мелкозернистого графита изостатического прессования при графитации включает их расположение вертикально и горизонтально поперек керна в столбиках,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002568493
Дата охранного документа: 20.11.2015
20.11.2015
№216.013.900f

Способ получения углерод-углеродного композиционного материала на основе углеродного волокнистого наполнителя и углеродной матрицы

Изобретение относится к области создания и производства углеродных материалов с высокими физико-механическими характеристиками, в частности углерод-углеродных композиционных материалов на основе тканых армирующих наполнителей из углеродного высокомодульного волокна и углеродной матрицы,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002568495
Дата охранного документа: 20.11.2015
Показаны записи 1-10 из 29.
27.02.2014
№216.012.a65f

Клей

Изобретение относится к области клеев на основе фенолоформальдегидных смол, которые могут быть использованы в металлургической, авиакосмической, автомобильной и других отраслях техники, где на клеевые соединения воздействуют умеренные (до 10-15 МПа) механические нагрузки и температуры от...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002508306
Дата охранного документа: 27.02.2014
27.04.2014
№216.012.bcae

Углеродсодержащая композиция для получения реакционно-связанного карбида кремния

Изобретение относится к области производства конструкционных изделий на основе реакционно-связанного карбида кремния, предназначенного для использования в машиностроении (торцовые уплотнения, подшипники скольжения), энергетических технологиях (распылительные форсунки), химических технологиях...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002514041
Дата охранного документа: 27.04.2014
27.06.2015
№216.013.5b46

Монолитный вкладыш опоры скольжения поворотной тележки пассажирских железнодорожных вагонов и электропоездов

Изобретение относится к машиностроению, а именно к монолитному вкладышу опоры скольжения поворотной тележки пассажирских железнодорожных вагонов и электропоездов. Монолитный вкладыш опоры скольжения поворотной тележки пассажирских железнодорожных вагонов и электропоездов установлен в коробке на...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002554907
Дата охранного документа: 27.06.2015
10.07.2015
№216.013.5d77

Способ термической обработки углеродосодержащих волокнистых материалов

Изобретение относится к области технологии получения высокотемпературных углеродных волокнистых материалов, используемых в качестве армирующих наполнителей композиционных материалов на основе полимерной, углеродной, керамической и металлической матриц, эксплуатируемых в условиях вакуума,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002555468
Дата охранного документа: 10.07.2015
10.08.2015
№216.013.6e54

Резистивный композиционный корунд-углеродный материал

Изобретение относится к области электротехнического, радиотехнического и электроэнергетического назначения. Композиционный резистивный материал содержит корунд, связующее на основе силикатного стекла, углеродсодержащую фазу, отличается тем, что корунд взят с размером частиц не более 50 мкм, а...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002559802
Дата охранного документа: 10.08.2015
20.08.2015
№216.013.6eec

Способ обжига крупногабаритных заготовок мелкозернистого графита изостатического прессования

Предлагаемое изобретение относится к производству крупногабаритных изделий из мелкозернистого графита с длиной более 800 мм и диаметром более 300 мм. Технический результат изобретения - повышение выхода годных крупногабаритных изделий мелкозернистого графита изостатического прессования за счет...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002559966
Дата охранного документа: 20.08.2015
20.08.2015
№216.013.7078

Углеродное высокомодульное волокно с модифицированной поверхностью для армирования композитов и способ ее модификации

Изобретение относится к технологии получения углеродных волокон в виде нитей, жгутов и касается углеродного высокомодульного волокна с модифицированной поверхностью для армирования композитов и способа ее модификации. Волокно имеет поверхность с гребневидными образованиями в виде гофров,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002560362
Дата охранного документа: 20.08.2015
20.10.2015
№216.013.84cd

Жаростойкая сотовая конструкция

Настоящее изобретение относится к области композитных конструкций, применяемых в качестве жаростойкого теплообменника или фильтра в летательных аппаратах гражданской авиации, авиакосмической и ракетной техники. Жаростойкая сотовая конструкция содержит сотоблок, заключённый в корпус, и состоит...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002565600
Дата охранного документа: 20.10.2015
20.11.2015
№216.013.900d

Способ пакетировки крупногабаритных заготовок мелкозернистого графита изостатического прессования при графитации

Изобретение может быть использовано при изготовлении конструкционных материалов. Способ пакетировки углеродных обожженных крупногабаритных заготовок мелкозернистого графита изостатического прессования при графитации включает их расположение вертикально и горизонтально поперек керна в столбиках,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002568493
Дата охранного документа: 20.11.2015
20.11.2015
№216.013.900f

Способ получения углерод-углеродного композиционного материала на основе углеродного волокнистого наполнителя и углеродной матрицы

Изобретение относится к области создания и производства углеродных материалов с высокими физико-механическими характеристиками, в частности углерод-углеродных композиционных материалов на основе тканых армирующих наполнителей из углеродного высокомодульного волокна и углеродной матрицы,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002568495
Дата охранного документа: 20.11.2015

Похожие РИД в системе