Full Text

Введение Наиболее перспективными материалами для изготовления крупногабаритных и сложнопрофильных конструкций практически любого типоразмера, эксплуатируемых в жестких условиях высокотемпературного и агрессивного воздействий, являются углерод-углеродные композиционные материалы (УУКМ), обладающие высокой коррозионной стойкостью [1-3] и комплексом повышенных физико-механических свойств [4, 5]. Основным недостатком этого класса УУКМ является их высокая проницаемость. В литературе отсутствуют сведения о каких-либо методах и подходах, касающихся разработки УУКМ и конструкций на их основе, обладающих герметичностью в сложных условиях эксплуатации. Однако нами впервые показано [6-8], что этот класс композиционных материалов, несущая основа которых изготовлена из низкомодульной ткани Урал ТМ-4 («Углекон») с дополнительно герметизирующими покрытиями, можно с успехом применять в металлургической, полупроводниковой и химико-металлургической промышленности, в конструкциях, работающих в экстремальных условиях высокотемпературного и химического воздействия металлических расплавов и химических сред [2]. Настоящая работа ставит целью отработку кинетических параметров насыщения несущей основы пироуглеродом в термоградиентном режиме с использованием радиально движущейся зоны пиролиза [9-11] и выбор материала несущей основы. Методика постановки экспериментальных исследований Одним из эффективных и экономически выгодных способов изготовления несущей основы герметичной конструкции является термоградиентный метод с использованием радиально движущейся зоны пиролиза. Метод заключается в резистивном нагреве пористой среды с помощью молибденового или графитового стержня в потоке природного газа [12, 13]. Вокруг стержня создается узкая зона пиролиза (рис. 1). Координате Х1 соответствует некоторая критическая температура Тк, за пределы которой молекулы метана не диффундируют, так как участок Х0-Х1 представляет уплотненный пироуглеродом материал. Координате Х2 соответствует пороговая Рис. 1. Распределение температуры по толщине уплотняемого пироуглеродом каркаса: 1 - зона нагрева; 2 - уплотненная часть; 3 - зона пиролиза; 4 - неуплотненная часть температура Тп, при которой реакция разложения метана практически не протекает. Участок 0-Х0 контактирует с источником нагрева. Для проведения экспериментальных работ по разработке УУКМ, пригодных к герметизации, формировали малогабаритные пакеты в форме пластин из низкомодульной ткани марки Урал ТМ-4 и высокомодульной ткани марки УТ-900. Затем пакет прошивали на швейной машине углеродной нитью марки Урал-Н или Урал-НШ с расстоянием между строчками 5-10 мм. Наличие в каркасе третьей координаты способствовало повышению межслоевой прочности УУКМ. В каждом из экспериментов на оправку-нагреватель, выполненную из графита в виде пластины, размещали с одной ее стороны каркас из низкомодульной ткани Урал-ТМ-4, с другой - каркас из высокомодульной ткани УТ-900. После их размещения на оправке-нагревателе каркасы обматывали двумя слоями асботкани марки АТ-3. После этого оправку-нагреватель с размещенными на ней каркасами монтировали в реакционном аппарате. Затем в одном из каркасов сверлили отверстие под кварцевый капилляр, который устанавливали до упора в оправку-нагреватель. Контроль температуры осуществляли хромель-алюмелевой термопарой, перемещаемой в течение процесса в кварцевом капилляре с заданной скоростью. После насыщения пластин-каркасов пироуглеродом они обрабатывались механическим способом до размеров 200 ´ 830 ´ 10 мм. УУКМ, полученному насыщением пироуглеродом каркаса из высокомодульной ткани УТ-900, было присвоено название «Луч», а из низкомодульной ткани Урал ТМ-4 - «Углекон». В качестве углеродсодержащего газа использовали сетевой газ по ГОСТ 5542-87, содержащий не менее 95 % CH4. Непосредственно на пластинах измеряли среднюю плотность и открытую пористость полученных материалов. После этого пластины разрезали на стандартные образцы для исследования физико-механических характеристик материала несущей основы. В задачу этого этапа исследования входило определение градиента температур по длине зоны пиролиза и скорости движения созданного фронта по толщине насыщаемого каркаса, которые обеспечили бы максимально возможную плотность УУКМ и высокую производительность технологического процесса, а также анализ структурно-чувствительных свойств двух материалов с целью выбора материала несущей основы. Экспериментальные результаты и их анализ Для экспериментальной отработки технологических параметров изготовления несущей основы в термоградиентном режиме были проведены две серии экспериментов. При выполнении первой серии изучали зависимость плотности и открытой пористости тканепрошивных каркасов от градиента температур при постоянной скорости зоны пиролиза. Температура в зоне пиролиза Тк = (980 ± 15) °С, расход метана 4-5 м3/ч. Результаты этой серии экспериментов приведены на рис. 2. Рис. 2. Зависимость плотности (1) и открытой пористости (2) от градиента температур Dt при скорости движения зоны пиролиза 0,25 мм/ч Рис. 3. Зависимость плотности от скорости движения зоны пиролиза при градиентах температур,°С/мм: 1 - 10; 2 - 20; 3 - 30 Как видим, с увеличением градиента температур плотность увеличивается линейно, а пористость уменьшается. Во второй серии экспериментов температуры Тк оставались прежними, а для трех градиентов температур 10, 20 и 30 °С/мм исследовалась зависимость плотности от скорости движения зоны пиролиза. Результаты этой серии экспериментов приведены на рис. 3. Как видно из рисунка, с увеличением скорости движения зоны пиролиза плотность материала уменьшается в тем в большей степени, чем меньше градиент температур[2]. Анализ полученных результатов позволяет заключить, что для сохранения сравнительно высокой плотности и производительности процесса насыщения каркасов пироуглеродом скорость движения зоны пиролиза по толщине каркаса следует назначить 0,25-0,35 мм/ч, а градиент температур в пределах 20-30 °С/мм. При исследовании прочностных характеристик УУКМ установлено, что достаточно высокой прочностью обладают материалы с относительной плотностью не ниже 1,35-1,45 г/см3, которую вполне обеспечивают выбранные выше параметры процесса. В связи с этим исследования проводились на образцах с плотностью не ниже указанной [14]. Прочностные и некоторые другие характеристики, определенные стандартными методами, представлены в таблице. Физико-механические свойства УУКМ различных типов Наименование характеристик «Луч» «Углекон» Плотность, г/см3 1,45-1,67 1,35-1,51 Открытая пористость, % 12,8-16,8 8,5-9,0 Предел прочности при растяжении, кг/мм2, по ТУ1916-007-07523132-2007: в осевом направлении в радиальном направлении 11,0-17,8 14,6-17,0 6,0-7,3 Предел прочности при сжатии, кг/мм2, по ГОСТ 2. 602-80: в осевом направлении в радиальном направлении 8,6-12,0 12,4-16,1 11,6-15,5 Ср. 12,6 Предел прочности при изгибе, кг/мм2, по ОСТ 92-462-77: в осевом направлении в радиальном направлении 15,1-20,4 15,4-22,0 Ср. 11,4 5,9-8,9 Модуль упругости при растяжении, Е-10, кг/мм-3, по ОСТ 92-1461-77 4,02-4,45 1,55 -2,0 Ударная вязкость, кгс-см/см2, по ГОСТ 4647-80 (по Шарпи): в осевом направлении в радиальном направлении 8,1-11,4 12,8-14,1 8,0 7,5 Коэффициент линейного термического расширения, α·10-6 град -1, по методике 934.004-2008М: в осевом направлении 20-1000 °С 20-2000 °С в радиальном направлении 20-1000 °С 20-2000 °С 0,95-1,60 3,20 1,32 1,81 2,80 4,40 2,75-2,80 3,30 Исходя из анализа прочностных характеристик в качестве материала несущей основы целесообразнее выбрать материал «Луч». Однако после уплотнения ткани УТ-900 на основе высокомодульных волокон металлографическим путем были зафиксированы трещины, в то время как на УУКМ, изготовленном на основе ткани Урал ТМ-4, прошедшей аналогичную обработку, трещины обнаружены не были (рис. 4, а, б). а б Рис. 4. Микроструктура УУКМ после насыщения пироуглеродом, ´1000: а - образование трещин в материале «Луч»; б - отсутствие трещин в материале «Углекон» Этот экспериментальный факт можно объяснить тем, что ткань Урал ТМ-4 как материал наполнителя имеет хорошую совместимость с материалом матрицы (пироуглеродом) по таким основным критериям, как коэффициент линейного термического расширения, хорошая адгезия на границе матрицы и армирующего элемента, термодинамическая устойчивость при работе в условиях высоких температур. На основании этих исследований можно заключить следующее. Несмотря на комплекс высоких физико-механических показателей материала «Луч», его использование для материала несущей основы герметичных конструкций не представляется возможным, и в качестве основного варианта для изготовления несущей основы был выбран материал «Углекон», изготовленный из ткани Урал ТМ-4. Как показали дальнейшие исследования, наши предположения полностью оправдались и несущая основа из материала «Углекон» с нанесенными на нее герметизирующими слоями обеспечила надежную работоспособность изделий в экстремальных условиях высокотемпературного и химического воздействий агрессивных сред [2, 3, 9, 15]. Заключение На основании проведенного исследования можно сделать следующие выводы: 1. Для достижения высокой плотности и производительности термоградиентного процесса насыщения тканепрошивных каркасов скорость движения зоны пиролиза по толщине каркаса следует назначить 0,25-0,35 мм/ч, градиент температур в зоне пиролиза - 20-30 °C/мм. 2. В качестве основы герметичных конструкций из УУКМ выбран материал «Углекон», изготовленный из ткани Урал ТМ-4 с плотностью 1,35-1,51 г/см3, что обеспечивает высокие механические свойства материала несущей основы и ее надежные эксплуатационные характеристики.

About the authors

V. M Bushuev

OJSC “Ural Scientific Research Institute of Composite Materials”

Email: uniikm@yandex.ru

I. L Sinani

Perm National Research Polytechnic University

Email: sinani.pstu@yandex.ru

References

Statistics

Views

Abstract - 24

PDF (Russian) - 20

Refbacks

• There are currently no refbacks.