Введение к работе
Актуальность проблемы.
Стремление совместить свойства традиционных углеродных материалов с преимуществами композиционных материалов привело к созданию материалов на основе углеродного волокна в качестве армирующего элемента и объемно-изотропной углеродной матрицы, получивших название углерод-углеродные композиционные материалы (УУКМ). В настоящее время эти материалы находят широкое применение, прежде всего, в тех областях науки и техники, где они определяют научно-технический прогресс.
Специфика использования свойств УУКМ связана с рядом уникальных особенностей, присущих классу углеродных материалов. Присутствие волокнистого наполнителя в теле УУКМ делает уровень их физико-механических свойств недостижимым для традиционных углеродных материалов. Варьирование пространственным расположением волокнистого наполнителя композита является эффективным инструментом в управлении анизотропией свойств УУКМ.
Прогресс в области производства композиционных углеродных материалов связан с поиском новых связующих и армирующих наполнителей, разработкой уникального технологического оборудования, снижением длительности технологического цикла, затрат энергии, повышением качества получаемого материала и улучшением его характеристик.
В последнее время укрепилось одно из направлений в развитии УУКМ, ориентированное на введение легирующих элементов, таких как бор, титан, кремний, цирконий и др. в матрицу материала Насыщение УУКМ легирующими элементами связано, в пер-. вую очередь, с использованием композитов в условиях высоких энергетических воздействий: радиационное излучение, воздействие, плазмы и т.п. Легирующие элементы способны улучшить стойкость материалов к окислению, снизить химическое и физическое распыление, увеличить теплопроводность. Особое внимание уделяется распределению легирующей фазы в объеме материала, которое так же определяет его свойства.
Результаты исследований материалов разного химического состава в установках типа Токамак показали, что для конструкции защиты первой ступени вакуумной камеры термоядерных реакторов и дивертерных устройств наиболее приемлемы углерод-углеродные композиционные материалы, содержащие титан и бор. Легированные УУКМ способны выдерживать значительные тепловые потоки, противостоять эрозии, и, в
меньшей степени, чем другие углеродные материалы, удерживать трития при совместном воздействии трития и плазмы.
В настоящее время разработаны методы введения легирующих элементов в угле
родные материалы, получаемые на основе дисперсных наполнителей. Использование
таких методов для композиционных объемно-армированных материалов малоэффектив
но, а в ряде случаев, практически не реализуемо в силу особенностей технологии полу
чения УУКМ. Существующие способы насыщения УУКМ легирующими элементами не
дают возможность управлять распределением легирующей фазы в объеме углеродной
матрицы, одновременно обеспечивая высокую степень совершенства ее кристаллической
структуры. '
Целью настоящей работы являлась разработка научно-обоснованных методов введения легирующих элементов - титана и бора в матрицу объемно-армированных УУКМ, формируемую на основе каменноугольных пеков, и оптимизация технологии на начальной стадии консолидации материала.
Научная новизна.
1 1. На основе элементов системного анализа определены основные направления
эффективного введения легирующих элементов в матрицу УУКМ.
-
Впервые построены 'виртуальные трехмерные модели поровых объемов армирующих каркасов 2Do, 3Do, 4D, 50-типов, с помощью которых описано пространственное расположение элементарных пор и определены геометрические характеристики, как самих пор, так и устьев их соединяющих.
-
Показано, что введение триэтаноламинтитаната в среднетемпературные и высокотемпературные каменноугольные пеки позволяет регулировать их реологические свойства и формировать легированную матрицу в межфиламентном поровом пространстве каркаса УУКМ уже на начальных циклах консолидации материала.
-
Показано, что раздельное введение пеков, содержащих легирующие добавки, в межфиламентное поровое пространство на этапе формирования армирующих стержней и в межстержневое поровое пространство каркаса, собранного из этих стержней, позволяет управлять распределением легирующей фазы в объеме матрицы УУКМ.
-
Впервые показано, что воздействие переменного электрического тока, пропускаемого по сечению нитей углеродных волокон, пропитываемых погружением в жидкий пек, повышает линейную плотность пропитанных нитей и прочность армирующих стержней, сформированных на их основе.
-
Установлено, что величина коксового остатка каменноугольного пека, введенного в межфиламентдае поровое пространство нитей углеродных волокон, зависит от молекулярно-массового распределения компонентов пека, сорбированных на поверхности волокон.
-
Впервые установлено, что воздействие переменного электрического тока, на нить углеродных волокон, пропитанных пеком, изменяет молекулярно-массовое распределение компонентов пека на поверхности волокон и, тем самым, увеличивает коксовый остаток из пека.
Практическая значимость работы.
-
Разработаны импрегнаты, включающие триэтаноламинтитанат и борігую кислоту с улучшенными реологическими свойствами, использование которых позволяет получать УУКМ с матрицей, насыщенной титаном и бором, и способствует сокращению общего числа циклов пропитка - карбонизация в технологии УУКМ.
-
Разработана и изготовлещ лабораторная установка для получения армирующих стержней дта каркасов УУКМ и исследования пропитки углеродных волокон им-прегнатами на основе каменноугольных пеков, конструкция и принцип действия которой защищены патентом РФ. ',
-
Получены армирующие стержни повышенной прочности с использованием основ технологии пропитки углеродных волокон каменноугольным пеком под воздействием электрического тока, что позволяет оптимизировать процесс сборки из них каркаса и сократить общее количество циклов пропитка-карбонизация в технологии УУКМ.
-
Полученные теоретические данные о геометрии поровой структуры армирующих каркасов на основе цилиндрических стержней позволяют рассчитывать при. разработке новых технологий УУКМ максимальную величину частиц легирующей дисперсной фазы, вводимой в поровое пространство армирующего каркаса.
Апробация работы.
Результаты работы были доложены на «Первом международном симпозиуме «Наука и технология углеводородных дисперсных систем»» (Государственная академия нефти и газа имени И. М. Губкина, Москва, 1997 г.), и на «Международной конференции «Слоистые композиционные материалы-98»» (Волгоградский государственный технический университет, Волгоград, 1998 г.).
Объем и структура работы,
^ ' - Диссертационная работа состоит из введения, 7 глав, выводов, списка литерату
ры, содержащего 156 наименоваїшй, 3 приложений, материал изложен на ПО страницах
машинописного текста и содержит 60 рисунков и 11 таблиц.
