Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПРИГОТОВЛЕНИЯ КОМПОЗИЦИИ ДЛЯ ПРОПИТКИ УГЛЕРОДНОГО ВОЛОКНА

Изобретение относится к технологии создания объемно-армированных углерод-углеродных композиционных материалов (УУКМ) и может быть использовано при производстве эррозионно-стойких теплозащитных деталей в авиационной, ракетно-космической и химической отраслях промышленности.

Технология производства УУКМ включает следующие основные процессы:

- изготовление углепластиковых стержней;

- сборка из них армирующего объемного каркаса;

- пропитка каркаса связующим;

- карбонизация и графитизация при повышенной температуре.

Технологический процесс изготовления углепластиковых стержней состоит из следующих операций:

- пропитка углеродного волокна жидкой композицией на основе термореактивных или термопластичных материалов;

- протягивание пропитанного углеродного волокна через систему фильер, где происходит уплотнение и ориентация волокна;

- термообработка пропитанного волокна для полимеризации термореактивной композиции или удаления растворителя из термопластичной композиции.

Известен способ приготовления композиции для пропитки углеродного жгута, состоящей из фенольно-формальдегидной смолы резольного типа и поливинилбутираля в спиртово-ацетоновой смеси (заявка №2007139204 с приоритетом 24.10.2007).

Недостаток этой композиции в том, что при формировании УУКМ она образует на поверхности углеродного стержня неграфитизирующуюся рыхлую карбонизованную структуру с системой закрытых пор, что ведет к снижению основных функциональных характеристик УУКМ.

Известен способ приготовления композиция для пропитки углеродного волокна на основе поливинилового спирта, используемой для изготовления УУКМ по способу, описанному в патенте №2090497 с приоритетом 20.02.1995 г. Данный способ основан на растворении поливинилового спирта в воде в пропорции 1:2.

Высокая концентрация поливинилового спирта в растворе приводит к неравномерной пропитке углеродных жгутов, имеющих крутку, и к необходимости частой чистке фильер от остатков быстроотверждающегося поливинилового спирта.

Наиболее близким к заявляемому изобретению, принятым за прототип, является способ приготовления композиции посредством растворения поливинилового спирта в воде с образованием 15-20%-ного раствора (Щурик А.Г. Искусственные углеродные материалы. / Пермь, 2009, с.178-179).

Композиция, приготовленная по данному способу, хорошо смачивает углеродное волокно, обеспечивая необходимую для сборки каркасов жесткость углепластиковых стержней, и образует графитизирующийся коксовый слой на поверхности углеродных стержней при формировании УУКМ.

Недостаток этого способа в том, что он не обеспечивает высокую адгезионную прочность соединения углеродных стержней с углеродной матрицей в УУКМ. Как показывают исследования физико-механических характеристик УУКМ, наиболее слабым звеном является прочность именно этого соединения. Разрушение при сдвиге происходит на поверхности раздела «матрица-углеродный стержень», т.е. носит адгезионный характер.

Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение адгезионной прочности соединения углеродных стержней с углеродной матрицей в углерод-углеродном композиционном материале.

Поставленная задача решается тем, что растворение поливинилового спирта производят в водной суспензии углеродного фуллероидного наномодификатора при следующем соотношении компонентов, вес.ч.:

Введение в пропитывающую композицию фуллероидных наночастиц позволяет модифицировать межфазную границу «стержень-матрица» благодаря возникновению сил Ван-дер-Ваальса между мезоструктурой матрицы и волокна, тем самым создавая возможность перехода характера разрушения при сдвиге материала из области адгезионной в область когезионную.

Нижний предел концентрации фуллероидного наномодификатора в композиции - это минимальное содержание наночастиц, при котором наблюдается повышение адгезионной прочности в системе «матрица-стержень». Верхний предел ограничен реологическими свойствами композиции: повышение вязкости с увеличением содержания наночастиц ухудшает качество пропитки волокна.

Для приготовления композиции использовали следующие материалы:

1. Дистиллированная вода.

2. Поливиниловый спирт ГОСТ 10779

3. Углеродный фуллероидный наномодификатор ТУ 2166-001-13800624-2003.

Приготовление композиции осуществляли в следующем порядке.

1. Приготовление водной суспензии углеродного фуллероидного модификатора

Необходимое количество наномодификатора диспергировали в дистиллированной воде и полученную взвесь подвергали ультразвуковой обработке с использованием ультразвукового диспергатоа УЗГ-01.20 (частота 20 кГц, продолжительность 20 минут).

Срок хранения приготовленной суспензии не более 10 суток.

2. Растворение поливинилового спирта в водной суспензии

Необходимое количество поливинилового спирта вводили в суспензию, нагревали до температуры 50-60°C и перемешивали механическим смесителем в течение 30-40 минут.

Срок хранения готовой композиции не более 15 суток в герметично закрытой таре.

Для исследования адгезионной прочности соединения углеродных стержней и углеродной матрицы по описанной выше технологии были приготовлены различные составы предлагаемой композиции, примеры которых представлены в Таблице. Эти составы композиции использовались для изготовления углепластиковых стержней на специальном оборудовании, представляющем собой систему последовательно установленных устройств: шпулярник, откуда углеродные нити, проходя через ванну с предлагаемой композицией, протягивают через каскад фильер, где происходит отжим излишков композиции и формообразование жгута; далее сформированный жгут поступает в туннельную камеру нагрева, где при температуре 90-110°C происходит удаление воды из композиции и отверждение поливинилового спирта, и формируется углепластиковый стержень.

Изготовленные таким образом с использованием углеродного волокна ВМН-4 (ТУ 48-20-122-84) стержни диаметром 1,15 мм подвергали испытаниям, как показано на Фиг.1.

Стержни 1 помещали в металлические капсулы 2, содержащие фенолформальдегидное связующее ЛБС-4 (ГОСТ 901) 3.

Далее связующее ЛБС-4 в капсулах вместе со стержнями отверждали при температуре 160°C в течение 3 часов в сушильном шкафу и карбонизовали в муфельной печи при температуре 900-1000°C в течение 2 часов до получения кокса 4.

Полученные таким образом образцы помещались в разрывную машину, где капсула крепилась к основанию, а к стержню в захватах 5 прикладывалась растягивающая нагрузка F, что при определенных ее значениях приводило к вырыванию стержня из матрицы. Адгезионная прочность рассчитывалась как отношение величины разрушающей силы к площади поверхности контакта стержня с матрицей.

Полученные результаты представлены в Таблице. Сравнение этих результатов показывает, что предлагаемое техническое решение позволяет повысить адгезионную прочность соединения углеродных стержней и углеродной матрицы в УУКМ более, чем на 50%.