способ получения композиционного материала

Формула изобретения

1. Способ получения композиционного материала, включающий пропитку пористой заготовки растворителем матрицеобразующего вещества при атмосферном давлении, последующее насыщение раствором матрицеобразующего вещества, поместив его на общую границу пористой заготовки и растворителя в замкнутом объеме, при температуре, равной или большей температуры кипения растворителя, отличающийся тем, что объем раствора матрицеобразующего вещества в 10 - 15 раз больше объема растворителя, заполнившего пористое тело, и насыщение раствором матрицеобразующего вещества осуществляют при атмосферном давлении.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что заполнение пористого тела растворителем проводят при температуре 0,5T_ev T T_ev, где T_ev - температура кипения растворителя.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что насыщение пористого тела матрицеобразующим веществом проводят при температуре T_p > T T_ev, где T_p - температура полимеризации матрицеобразующего вещества.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области производства широкого класса композиционных материалов и может быть использовано, в частности, при производстве углерод-углеродных композиционных материалов.

Известен способ получения композиционных материалов, включающий насыщение пористой заготовки органическим соединением - связующим с последующей термообработкой (карбонизацией) полученного композита в инертной атмосфере. Насыщение обычно проводят при атмосферном или пониженном давлении и для снижения пористости до приемлемого уровня повторяют несколько раз. В некоторых случаях на одной из стадий процесса насыщение ведется под давлением с целью заполнения всех пор в армирующем каркасе матрицеобразующим веществом (MOB) ( Л.Макаллистер, У.Лакман. Многонаправленные углерод-углеродные композиты. Прикладная механика композитов. Сб. статей 1986-1988 гг., М.: Мир, 1989, с. 256). Процесс получения композиционных материалов этим способом является длительным и предполагает использование сложного и энергоемкого оборудования.

Наиболее близким к заявляемому является принятый за прототип способ получения композиционных материалов (авт. св. СССР 631501 А, опубл. 05.11.1978, С 04 В 41/46, 2 с.), включающий пропитку изделий при комнатной температуре или при нагревании растворителем (керосин и др.) углеродистого вещества, при атмосферном давлении, последующее насыщение матрицеобразующим веществом (MOB), помещая его на общую границу пористой заготовки и растворителя в замкнутом объеме. Процесс насыщения производят при температуре равной или большей, чем температура кипения растворителя с последующей термообработкой.

Основной и самой трудоемкой операцией в создании композиционных материалов, характерной и для прототипа, является насыщение пористых тел, содержащих большую долю малых и тупиковых пор из-за необходимости удаления газов, находящихся в порах и адсорбированных их поверхностью. С этой целью проводят либо предварительное вакуумирование насыщаемых заготовок, либо вытеснение воздуха приложением повышенного давления. Даже при низкой вязкости и хорошей смачивающей способности связующего самопроизвольное вытеснение им запертых в порах газов является проблематичным, особенно если в качестве MOB используются шликеры или суспензии. Этот процесс, как и в аналоге, предполагает использование сложного и энергоемкого оборудования.

Задачей предлагаемого способа является получение композиционного материала с помощью жидких MOB, в том числе шликеров, суспензий, расположенных по всему объему заготовки независимо от характера пор в заготовке более простым и менее энергоемким способом, а также сокращение сроков получения аналогичных КМ и их ассортимента за счет различных материалов заготовок и их наполнителей и в сочетание.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе получения композиционного материала, включающем пропитку пористой заготовки растворителем матрицеобразующего вещества при атмосферном давлении, последующее насыщение раствором матрицеобразующего вещества, помещая его на общую границу пористой заготовки и растворителя в замкнутом объеме, при температуре, равной или большей, чем температура кипения растворителя, в предлагаемом способе насыщение раствором матрицеобразующего вещества осуществляют при атмосферном давлении и при избыточном объеме раствора. При этом объем раствора матрицеобразующего вещества в 10-15 раз больше объема растворителя, заполнившего пористое тело, а заполнение пористого тела растворителем проводят при температуре 0,5 T_eТT_e, где T_e температура кипения растворителя. Насыщение пористого тела матрицеобразующим веществом проводят при температуре T_p>ТT_e, где Т_p - температура полимеризации матрицеобразующего вещества.

Если пористое тело предварительно заполнить растворителем матрицеобразующего вещества, то хорошая смачиваемость разнородных твердых тел различными растворителями (например, керосином, спиртом) позволит быстро и гарантированно заполнить ими весь диапазон пор. Последующее перемещение пористого тела с заполненными растворителем порами в избыточный объем раствора MOB и увеличение температуры до уровня, равного или превышающего температуру кипения растворителя, позволяет в сжатые сроки осуществить усреднение концентрации MOB по всему объему пропиточной емкости и пористого тела. Высокая скорость выравнивания концентрации обеспечивается высоким уровнем коэффициента диффузии в жидкости. При температурах, близких к температуре кипения, он может достигать значений 10^-1-10^-2 см²/с. Таким образом, поры, прежде заполненные растворителем, через непродолжительное время будут заполнены раствором MOB практически исходной концентрации благодаря его избытку.

На чертеже представлена схема насыщения пористого тела.

Для реализации предлагаемого изобретения берется любое пористое тело 1, которым может быть древесина, металл, керамика, металлокерамика, всевозможные спеченные порошки, тканые и войлочные материалы и т.д., и помещается в замкнутый объем, в данном случае для простоты в виде цилиндра 2. Сверху, при закрытом кране 3, пористое тело заполняется растворителем MOB до полного заполнения пор пористого тела. После окончательного заполнения всех пор излишки растворителя можно слить через кран 3 до отметки "уровень", по которой проходит граница раздела между пористым телом, заполненным растворителем, и добавленным в емкость 2 раствором MOB 4. Хорошая смачиваемость разнородных твердых тел различными растворителями (например, керосином, спиртом) позволит быстро и гарантированно заполнить ими весь диапазон пор. Избыточный объем раствора MOB в 10-15 раз больше объема растворителя в порах и увеличение температуры до уровня, равного или меньшего температуры кипения растворителя, позволяют в сжатые сроки осуществить усреднение концентрации MOB по всему объему пропиточной емкости и пористого тела. Высокая скорость выравнивания концентрации обеспечивается высоким уровнем коэффициента диффузии в жидкости. При температурах, близких к температуре кипения, он может достигать значений 10^-1-10^-2 см²/с. Таким образом, поры, прежде заполненные растворителем, через непродолжительное время будут заполнены раствором MOB практически исходной концентрации благодаря его избытку. В зависимости от сочетания пористого тела и MOB идет последующая обработка насыщенного пористого тела для придания ему необходимых свойств. Устройство (см. чертеж) может быть заменено простым мешком из полиэтилена или другого материала, устойчивого к растворителю и MOB.

Сущность изобретения иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1. Пористую заготовку углерод-углеродного композиционного материала (УУКМ) плотностью 1,30 г/см³, пористостью 35% в форме диска диаметром 150 мм, высотой 30 мм и массой 690 г поместили в цилиндрическую емкость с этанолом до полного погружения диска в этанол. Погружение диска сопровождалось бурным выделением воздуха из объема диска.

Емкость поместили в термошкаф и нагрели до 40^oC (температура кипения этанола 78^oC). По мере вытеснения воздуха из пор с заполнением их этиловым спиртом, хорошо смачивающим поверхность всех модификаций углерода, выделение воздушных пузырьков становится менее заметным. После выдержки при указанной выше температуре в течение 2 ч все поры углерод-углеродного диска были заполнены этанолом. Масса пропитанного спиртом диска 925 г.

Затем емкость с диском из УУКМ, заполненным этанолом, до отметки "уровень" заполнили не менее чем 2-3 кг 55%-ного спиртового раствора фенолоформальдегидной смолы (бакелитового лака ЛБС-1), поместили в термошкаф, нагрели до 90-100^oC и выдерживали при этой температуре 2 ч.

В течение этого периода времени происходило активное удаление этанола из пор УУКМ ввиду его активного перемешивания с раствором связующего при указанной температуре. Имея в виду, что оценка коэффициента диффузии в растворе связующего при данной температуре не ниже 10^-2 см²/с, выравнивание концентрации связующего в объеме диска и вне его произойдет через =x²/D=900 с = 15 мин. Однако при D=10^-3 см²/с для такого выравнивания понадобится уже 2,5 ч. Поэтому продолжительность данной стадии составляла 2 ч.

После остывания до комнатной температуры диск извлекли из емкости, предварительно дав стечь излишку связующего, и поместили в термошкаф для отверждения при 150^oC. После отверждения масса диска790 г.

Продолжительность описанной выше схемы получения композиционного материала составляет 2 рабочие смены. При этом не требуется вакуумирование и применение высоких давлений. Рабочие температуры до операции отверждения не превышали 90-100^oC.

Пример 2. Пористая заготовка из спеченного медного порошка пористостью 15%, плотностью 7,6 г/см³ в форме куба со стороной 40 мм, массой 485 г поместили в емкость с метанолом до полного погружения заготовки в данном растворителе.

Емкость поместили в термошкаф и нагрели до 40^oC (температура кипения метанола 65^oC). После выдержки при указанной температуре в течение 1 ч все поры медного куба были заполнены метанолом. Масса пропитанного метиловым спиртом куба 493 г.

Затем емкость с медным кубом и метанолом заполнили раствором MOB, содержащим более 200 мл 55%-ного спиртового раствора фенолоформальдегидной смолы в метаноле и поместили в термошкаф, нагрели до 90-100^oC и выдерживали при этой температуре 1,5 ч.

После остывания до комнатной температуры куб извлекли из емкости, предварительно дав стечь излишку связующего, и поместили в термошкаф для отверждения при 150^oC. После отверждения масса куба 490 г.

Пример 3. Горячепрессованная заготовка из нитридокремниевой керамики в виде облопаченного диска диаметром 150 мм, толщиной около 15 мм, пористостью 8%, плотностью 3,2 г/см³, массой 839 г поместили в емкость с толуолом до полного погружения заготовки в данном растворителе.

Емкость поместили в сушильный шкаф и нагрели до 60^oC (температура кипения толуола 111^oC). После выдержки при указанной температуре в течение 1 ч открытые (в т.ч. тупиковые) поры облопаченного диска были заполнены толуолом, о чем свидетельствует увеличение массы диска до 857 г.

Затем емкость с диском, заполненным толуолом, заполнили раствором MOB в виде 1000 мл 40%-ного раствора поликарбосилана в толуоле и поместили в термошкаф, нагрели до 110^oC и выдерживали при этой температуре 2 ч.

После остывания емкости с диском до 50^oC диск извлекли из емкости, сняли чистой ветошью излишек связующего и поместили в печь для отверждения при 400^oC в атмосфере инертного газа. После отверждения масса композиционного материала в виде диска составляла 851 г.

Продолжительность описанных выше примеров насыщения пористых тел и получения КМ составляет, как правило, не более двух рабочих смен. При этом не требуется вакуумирование и применение высоких давлений. Рабочие температуры насыщения УУКМ связующим не превышают 100-120^oC.

Способ позволяет изготавливать композиционные материалы различных размеров с различными MOB в сжатые сроки без использования дорогостоящего оборудования.