Целая. Учебник для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальностям Летательные аппараты
 Скачать 32.33 Mb.
|
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| марка | Т, К | σв, МПа | σ1, МПа | σ10, МПа | σ100, МПа | Е, ГПа |
| ВА | 1173 | 1320 | 920 | 770 | 630 | |
| 1273 | 1130 | 750 | 620 | 480 | | |
| 1473 | 740 | 460 | 390 | 330 | | |
| ВТ-15 (w+15 mac% ThO2) | 1273 | 1200 | 910 | 790 | 660 | E298=410 |
| 1373 | 1090 | 720 | 570 | 440 | E2673=227 | |
| 1473 | 850 | 610 | 510 | 410 | | |
| ВР-20 (w+20mac% Re) | 1173 | 2570 | 2260 | 2020 | 1770 | |
| 1273 | 2140 | 1570 | 1320 | 1060 | | |
| 1343 | 1990 | 870 | 640 | 420 | | |
| 1473 | 1390 | 600 | 420 | 240 | |
Обозначения: σв – прочность при растяжении при нормальном нагружении; σ1, σ 10, σ 100 - то же при длительном нагружении в течение 1, 10, 100 часов соответственно; Е - модуль упругости.
Из табл. 23 видно, что вольфрам в деформированном состоянии обладает высокой прочностью на растяжение и длительной прочностью при комнатной и повышенных температурах. Кроме того прочность проволоки из вольфрамовых сплавов при повышенных температурах снижается меньше, чем из чистого вольфрама. Особенно высокими прочностью и жаропрочностью обладает проволока из сплава ВР-20, который содержит 20% рения.
Обычно углепластиковые конструкции получают путем намотки на оправку лент из угольного волокна. При намотке углеметал- лопластиков применяется дублирование угольной ленты вольфрамовой. В зависимости от порядка чередования этих лент материалы имеют соответствующую маркировку:
- УМП-1 - через каждые два слоя угольной ткани укладывается один слой вольфрамовой;
- УМП-2 - один слой угольной ткани чередуется с одним слоем вольфрамовой.
В материале УМП-2 УВТ применяется лента в виде углевольфрамового трикотажа совместного плетения. Для плетения указанных лент используются специальные станки по типу таких, как и для вязания капроновых чулков.
Есть еще одна модификация углеметаллопластика - УМП-3. Как говорилось в предыдущих главах, фенольные и фурфурольные смолы хорошо воспринимают всевозможные модифицирования. Так, для повышения эластичности УМП, в фенольно-фурфурольное связующее добавляется акрилнитрильный каучук. Характеристики УМП приведены в табл. 24.
Таблица 24
Характеристики УМП
| Свойства | Материалы | ||
| УМП-1 | УМП-2 | УМП-3 | |
| плотность, кг/м3 | 1500…1750 | 1750…2200 | 1300…1400 |
| степень отверждения,% | >92 | >92 | >92 |
| относительное удлинение,% | | | |
| – по основе | 1,0 | 1,0…0,8 | 1,2 |
| – по утку | 0,7 | 0,6 | 3,8 |
| содержание связующего,% | 30…45 | 30…45 | 30…45 |
| разрушающее напряжение, МПа | | | |
| – при сжатии по утку | 110 | 120 | |
| – при растяжении, по основе | 100 | 120 | 60 |
| –при растяжении, по утку | 30 | 70 | 20 |
Углеметаллопластик УМП-3 применяется для защиты внутренних поверхностей корпусов РДТТ от теплового и эрозионного воздействия. Он обладает повышенным относительным удлинением, что очень важно при горении топлива в двигателе, во время которого наблюдаются большие деформации (до 15 мм по диаметру).
6.7.1. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ УГЛЕМЕТАЛЛОПЛАСТИКОВ
Технология производства изделий из углеметаллопластиков практически не отличается от таковой для углепластиков. Изделия могут изготовляться как методом намотки, так и прессованием. Применяется, как правило, «сухая» намотка или укладка на оправку, в матрицу или на пуансон. Пропитка угольных материалов (тканей, лент) описана в главе «Углепластики». Вольфрамовая сетка в виде ленты пропитывается на тех же машинах. Перед намоткой на оправку пропитанную угольную ленту дублируют вольфрамовой сеткой.
Осесимметричные изделия типа конусов или оживальной формы наматываются на оправку, при этом можно получать сразу две детали. Шаг намотки рассчитывается по формуле:
где Н - шаг намотки , мм; 8 - толщина дублированной ленты, мм; β - угол наклона образующей к продольной оси изделия, град.
Если укладка производится вручную в матрицу или на пуансон, количество заготовок по толщине определяется коэффициентом упрес- совки, который составляет 0,4...0,5, и размерами технологических припусков. После механической намотки оправка собирается в таком же порядке, как и при изготовлении углепластиков. Отверждение производится в гидроклавах при давлениях не ниже 4 МПа и температуре (428 ± 5) °С. Прямое прессование производится при давлении 5... 15 МПа. В некоторых случаях запрессовка производится путем подтяжки болтов до необходимого уровня с учетом упрессовки материала (40...50 %) oC. Очень ответственной операцией является механическая обработка углеметаллопластиков (табл. 25). Должны применяться резцы с твердосплавной напайкой типа ВК (ВК-6М, ВК-3 и др.).
Таблица 25
Режимы резания
| режим | Обработка | |
| Черновая | Чистовая | |
| скорость резания, м/мин | 40…70 | 40…75 |
| подача, мм/об | 0,3…0,5 | 00,5…0,02 |
| глубина резания, мм | 5…8 | 2…4 |
| стойкость резца, мин | 15…20 | 25…20 |
Готовые детали подвергаются неразрушающему ультразвуковому контролю, в том числе механизированному.
Углеметаллопластики обладают более высокой эрозионной стойкостью по сравнению с углепластиками, поэтому лучше реализуют свои теплофизические свойства (табл. 26).
Таблица 26
Теплофзические свойства углеметалопластиков
| характеристики | материалы | ||
| УМП-1 | УМП-2 | УМП-3 | |
| Теплопроводность | 4 | 4,2 | 3,5 |
| Теплоемкость кДж(кг·К) | 1,05 | 0,97 | 1,26 |
| Температуропроводность, м2/с | 3·10-6 | 2,2·10-6 | 2·10-6 |
Если сравнивать теплофизические характеристики, такие, как теплопроводность и температуропроводность, то углеметаллопластики имеют большие их значения, чем углепластики, т. е. на первый взгляд, первые менее предпочтительны, чем вторые для работы в условиях РДТТ. Однако за счет меньшего уноса углеметаллопластики в массовом отношении лучше углепластиков, т. е. конструкции из них легче.
К недостаткам углеметаллопластиков нужно отнести следующее:
- у них хуже формуемость по сравнению с углепластиками, поэтому нужно применять более высокие давления прессования; метод вакуумирования для УМП совсем неприемлем;
- значительно хуже, чем для неармированных вольфрамовой нитью пластиков, обрабатываемость резанием;
- в случае применения вольфрамовой нити расходуется дефицитный материал.
Таблица 25
Режимы резания
| режим | Обработка | |
| Черновая | Чистовая | |
| скорость резания, м/мин | 40…70 | 40…75 |
| подача, мм/об | 0,3…0,5 | 00,5…0,02 |
| глубина резания, мм | 5…8 | 2…4 |
| стойкость резца, мин | 15…20 | 25…20 |
Готовые детали подвергаются неразрушающему ультразвуковому контролю, в том числе механизированному.
Углеметаллопластики обладают более высокой эрозионной стойкостью по сравнению с углепластиками, поэтому лучше реализуют свои теплофизические свойства (табл. 26).
Таблица 26
Теплофзические свойства углеметалопластиков
| характеристики | материалы | ||
| УМП-1 | УМП-2 | УМП-3 | |
| Теплопроводность | 4 | 4,2 | 3,5 |
| Теплоемкость кДж(кг·К) | 1,05 | 0,97 | 1,26 |
| Температуропроводность, м2/с | 3·10-6 | 2,2·10-6 | 2·10-6 |
Если сравнивать теплофизические характеристики, такие, как теплопроводность и температуропроводность, то углеметаллопластики имеют большие их значения, чем углепластики, т. е. на первый взгляд, первые менее предпочтительны, чем вторые для работы в условиях РДТТ. Однако за счет меньшего уноса углеметаллопластики в массовом отношении лучше углепластиков, т. е. конструкции из них легче.
К недостаткам углеметаллопластиков нужно отнести следующее:
- у них хуже формуемость по сравнению с углепластиками, поэтому нужно применять более высокие давления прессования; метод вакуумирования для УМП совсем неприемлем;
- значительно хуже, чем для неармированных вольфрамовой нитью пластиков, обрабатываемость резанием;
- в случае применения вольфрамовой нити расходуется дефицитный материал.
6.8. УГЛЕРОД-УГЛЕРОДНЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Среди главных задач развития современной ракетно-космической техники на первом месте стоит решение проблемы полезной нагрузки, доставляемой к цели или выводимой на заданную орбиту, при минимальной стартовой массе ракеты. На втором месте - совершенствование твердотопливных двигателей, на третьем - материалы и на четвертом - технология. Но если хорошо проанализировать, то окажется, что две первые проблемы не могут быть решены без внимания к третьей и четвертой.
Кроме того, создание конструкций из композиционных материалов никак нельзя отделить от технологии. Если говорить о материалах, то ни один из классических материалов не может удовлетворить всем требованиям, предъявляемым к конструкциям РКТ, авиации и других областей техники. В последние три - четыре десятилетия очень быстро развивается направление в материаловедении - композиционные материалы, сочетающие в себе все лучшие качества входящих и полученных новых компонентов.
В настоящее время трудно даже назвать количество вновь созданных композиционных материалов, о некоторых было сказано выше.
В течение последних 10... 15 лет начали применяться так называемые углерод-углеродные' материалы, т. е. такие, у которых и матрица и наполнитель являются углеродными. Обычные углепластики, кроме ракетной техники, уже нашли применение в авиации, например, в США и в Украине (НПО им. Антонова). Из них изготовляются крылья самолетов, пропеллеры и т.п. Часто углепластики применяются в сочетании с другими полимерными пластиками (стеклопластиками, органопластиками).
Чем вызвано появление углерод-углеродных материалов? Как известно, при очень высоких температурах наилучшим образом могут реализовать эффективную энтальпию углеродные материалы, т. к. они при этом не плавятся, поскольку тройная точка их находится примерно при температуре 4 500 К и давлении 10 МПа. При создании всех теплозащитных покрытий стремятся к тому, чтобы в связующем было как можно больше углерода, чтобы при работе ТЗП образовался твердый коксовый остаток. Но этот остаток, вследствие удаления продуктов гидролиза и коксования, имеет большую пористость, которая обусловливает повышенный эрозионный унос в газовых потоках больших скоростей и температур. Покрытие считается работоспособным, если его пористость, выраженная через газопроницаемость, была меньше 10-17 м2. В верхнем слое покрытия или эрозионностойкого материала она, конечно, выше.
Как сделать, чтобы она не менялась? Для этого нужно, чтобы в матрице при высоких температурах не происходил процесс коксования, т. е. чтобы этот процесс был осуществлен раньше, при получении эрозионностойкого материала.
Таким материалом и является углерод-углеродный композиционный материал (УУКМ), у которого матрицей является плотный кокс или даже графит, а наполнителем - те же углеродные волокна, что и в углепластике. В этом материале матрица и наполнитель имеют один и тот же химический состав, но находятся в разных формах (фазах). Ценным является и то, что оба компонента КМ имеют одинаковые или близкие коэффициенты термического расширения и другие физико-химические и теплофизические свойства.
Приведем некоторые из них.
Теплота сублимации Qs = 60 000 кДж/кг.
Теплопроводность λ= 0,75...0,85 Вт/(м К).
Коэффициент термического расширения ɑ = 5 10'6 1/К.
Излучательная способность е = 0,8...0,9.
Модуль упругости Е = (1,6.. .2,2)-104 МПа.
Ниже будут приведены свойства некоторых конкретных углерод - углеродных КМ. Углеродное волокно (УВ) в них сохраняет свои прочностные характеристики вплоть до температуры активной сублимации > 3 000 °С ( 3 300 К), а также прочное сцепление с углеродной матрицей, которая также не теряет своей механической прочности.
Углеродная матрица - кокс полимерного связующего или пека, либо пироуглерод, осажденный из газовой фазы или то и другое.
При создании УУКМ много внимания должно уделяться вопросу совместимости матрицы и наполнителя, плотности каркаса и его структуре, выбору технологических приемов изготовления их. Как и в случае получения других КМ, углерод-углеродные тоже формуются вместе с изделием или по форме, близкой к нему.
Существует ряд способов получения изделий из УУКМ. Рассмотрим некоторые из них:
1. Сначала изготовляются объемные каркасы из углеродных нитей или трикотажных сеток по форме изделия на графитовой оправке путем плетения или выкладки и подпрессовки. Иногда первичное формование каркаса производится на стальной оправке, а затем заготовка переносится на графитовую оправку и помещается в специальную печь для насыщения пироуглеродом.
Печь представляет собой закрытый стальной сосуд с контролируемой атмосферой, которая сама создается при пиролизе метана или другого углеродсодержащего газа. Стенки стального каркаса обычно футеруются графитовыми блоками. Нагрев осуществляется с помощью графитовых нагревателей сопротивления или индукторов, но тоже с графитовыми нагревателями. Для высокочастотного индукционного нагрева, как правило, применяются машинные генераторы. Нагрев печи осуществляется с контролируемой атмосферой или вакуумом внутри.
После достижения на поверхности каркаса температуры примерно 1 100 °С (1 373 К) в печь подается газ метан, который разлагается и «оставляет» углерод внутри каркаса по реакции:
СН4 →С + 2Н2Т↑.
Выделившийся водород сжигается на выходе из печи (рис. 55).
Процесс разложения метана на горячей поверхности называется пиролизом. После первого насыщения производится графитация углерод-углеродной заготовки при температуре выше 2 500 К. Время графитации определяется температурой, но длится не менее 24 часов. Чем выше температура, тем меньше продолжительность процесса графитации. В этом процессе образуется кристаллическая гексагональная структура углерода, происходит дальнейшее удаление продуктов разложения углеводородов, уплотнение углеродного
вещества и - как следствие - образование пор. Поэтому производится многократное насыщение пироуглеродом и графитация с целью уменьшения пористости, повышения плотности и прочности. Иногда перед последующим насыщением пироуглеродом механическим способом снимается более плотная наружная корка, чтобы улучшить доступ метана к более глубоким слоям. В таких случаях размеры насыщаемого
1 - корпус печи с футеровкой;
2 - нагреватель;
3 - насыщаемый каркас;
4 - устройство подачи метана;
5 - выходной патрубок водорода
каркаса берутся с некоторым припуском. В принципе перед последним насыщением - графитацией, - изделие можно довести до необходимых линейных размеров.
Полный цикл производства УУКМ толщиной до 50 мм по данному методу составляет примерно 700 часов.
Конечно, изделия из такого материала стоят очень дорого, это как правило, наиболее ответственные детали твердотопливного двигателя (вкладыш критического сечения сопла) или головной части.
Так, созданный по указанной технологии углерод-углеродный материал УПА-3 и его модификации позволили с успехом заменить псевдосплавы вольфрама с медью - АВМГ и ВНДС, ранее применявшиеся в критическом сечении сопла РДТТ. Это дало значительное снижение массы сопловых блоков и позволило заменить дефицитные материалы. Для сравнения: плотность АВМГ, содержащего 85 % вольфрама, - 18 000 кг/м3, а УУКМ имеют плотность ρ <2 000 кг/м3.
2. Второй способ получения углерод-углеродного материала применяется для крупногабаритных конструкций со сравнительно тонкими стенками, не более 20 мм, например, выходного конуса соплового блока РДТТ. В этом случае УУКМ создаются из углеродного волокнистого наполнителя в форме тканей, лент, жгутов и матрицы на основе кокса фенольно-формальдегидной или фурфуроль- ной (фурановой) смолы, пека, пироуглерода или пирографита.
ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ. На металлическую оправку, изготовленную по форме изделия, наматывается каркас нужной толщины с применением предварительно пропитанной ленты или жгута. Если каркас представляет собой конус или слегка оживальную форму, то могут наматываться сразу два каркаса по типу получения углепластиков. После намотки оправка помещается в печь, где производится отверждение смолы и образование твердого каркаса. Полученный таким образом каркас обрабатывается по наружной поверхности на токарном станке, разрезается по большему диаметру, и с оправки снимаются два конуса (раструба). Затем эти конуса надеваются на графитовую оправку и помещаются в печь с контролируемой атмосферой. Температура в печи поднимается до 1 000... 1 100 °С, производится выдержка в течение двух часов или больше в зависимости от толщины стенки. При этом происходит карбонизация связующего, т. е. получение углеродного вещества - кокса, улетучиваются газообразные составляющие, за счет чего образуется пористый углеродный каркас. Этот каркас в этой же печи насыщается пироуглеродом до полного закрытия пор. Время насыщения составляет несколько суток в зависимости от толщины стенки изделия. Полученные контуры подвергаються механической обработке для получения требуемых размеров и формы детали.
В начале описания было сказано, что таким методом можно получать детали с толщиной до 20 мм, но потеем набора можно создавать изделия с толщиной стенки и до 100 мм.
Если менять наполнитель, т.е. применять другое волокно, то по этому же способу можно получать изделия с несколько другими механическими и теплофизическими свойствами, например, воля углеродную ткань с пироуглеродным покрытием. Кроме того, насыщенные пироуглеродом каркасы при необходимости подвергают ещё и графитации при температуре 2 500 0С и выше.
В табл. 27 приведены показатели плотности некоторых углерод-углеродных КМ.
Плотности углеродо - углеродных КМ Таблица 27
| Состав УУКМ по исходным материалам | Плотность, кг/м3 |
| Вискозное волокно + фурановая смола Вискозное волокно + пек Вискозное волокно + фурановая смола + пироуглерод Вискозное волокно + пироуглерод ПАН-волокно + пироуглерод ПВН-волокно + пек | 1500…1600 1700…1800 1550…1650 1550…1650 1700…1900 1950…2050 |
Есть и другие возможности создания УУКМ. Так, американская фирма SEP создала материал, углеродная матрица которого армирована углеродными волокнами по четырём диагоналям. Объём, занятый нитями, составляет 68…75%. Эта сетка пропитывается пеком, карбонизуется под давлением, затем графитируется. Цикл повторяется несколько раз, полученный материал имеет плотность γ= 2 000кг/м3 . Можно применять и другие смолы, имеющие высокое коксовое число.
Плотность некоторых углеродных матриц:
- кокс феноло-формальдегидный - 1 650 кг/м3 ;
- кокс фурановой смолы – 1 800 кг/м3;
- кокс пека – 2 100 кг/м3 ;
- пироуглерод – 1 600…2 100 кг/м3
Наиболее широко применимы: феноло-формальдегидные, фурфуроло-формальдегидные и фурановые смолы, каменноугольный пек.
Феноло-формальдегид – это продукт поликонденсации фенола с формальдегидом, представляющий собой вязкую жидкость (бакелит) или твёрдое вещество.
Фурфурол.
Фурфуроло-формальдегидные смолы – это то же, что и фурановые. В них вместо фенола имеется кольцо фурфурола. Мы сделали некоторое отступление, чтобы показать роль матрицы в УУКМ. Продолжим рассмотрение методов получения этих материалов. Это – ещё один из изотермических методов получения УУКМ.
3. Речь идёт о композиционном материале, в состав которого входят углеродная ткань из нити с пироуглеродным покрытием, кокс феноло-формальдегидной смолы и кокс среднетемпературного каменноуогольного пека.
ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ. На прессах, обеспечивающих уденьное давление прессования 10…15 МПА (100…150 кг·с/см2) формуются заготовки ‹сырого› (заполимеризованного) пластика, геометрические размеры которых определяются размерами деталей и величиной упрессовки при термомеханической обработке, осуществляемой при давлении 6 МПа (60 кг·с/см2) и температуре 1 500 0С. При этом удаляются летучие вещества и происходит превращение заполимеризованной матрицы в кокс. Этот процесс называется карбонизацией. Заготовки деталей при этом приобретают повышенную пористость. Полученная структура заполняется смолой под давлением 0,5…0,6 МПа при температуре 300 0С в течении трёх часов. Окончательная обработка – при температуре 2 600 0С с одновременной подпрессовкой до 20 МПа. До нужных размеров детали доводятся с помощью механической обработки.
Данная технология близка к технологии получения графита. Конечно, такой вариант технологии УУКМ, очень сложен и применяется редко.
4. Одним из недостатков изотермического метода является то, что, несмотря на применения многократных попыток – насыщения каркасов, плотность по сечению деталей получается неравномерной.
Термоградиентный метод получения углерод – углеродных КМ, устраняющий этот недостаток, применяется для производства толстостенных деталей с центральным отверстием. Схема его представлена на рис. 56.
В варианте (а) через молибденовый или графитовый стержень пропускаеться большой силы ток для получения температуры 1 000 0С или 2 200 0С в зависимости от того, насыщается ли заготовка пироуглеродом или пирографитом. В варианте (б) частота индуктора подбирается таким образом, чтобы нагревался центральный графитовый стержень. Конечно, при этом нагревается и гильза, но до более низкой температуры. В обоих вариантах она служит теплоизолятором и каналом для прохождения газообразного метана. Отличительной чертой этого метода является наличие градиента температуры направленного внутрь детали, т.е. к нагревателю. Отложение пироуглерода начинается от центра детали, где температура выше, чем снаружи. Таким образом, граница насыщения движется к периферии и закрытия пор не происходит.
Теоретически метод – идеален, но на практике появляется трудность, состоящая в том, что по мере накопления пироуглерода меняется сопротивление нагревателя, по этому нужно увеличить силу тока при омическом нагреве или мощность и частоту генератора – при индукционном.
Процесс осуществляется в восстановительной атмосфере: сначала камера вакуумируется, а при пиролизе метана выделяется водород, который создаёт восстановительную атмосферу и, конечно, непрерывно отводится из объема камеры. Плотность полученного материала в изделиях равна примерно 1 800 кг/м3 . Таким методом можно получать не все изделия, т.к. трудность заключается в создании равномерной температуры по всей детали, особенно, если сечение её в разных местах неодинаковы.
С помощью термоградиентного метода получают детали ракет, которые подвергаются воздействию высокотемпературных скоростных газовых потоков, а так же элементы ТВЭЛов для гомогенных реакторов. В одном элементе имеется внутри делящееся вещество, например, уран или оксид урана, а сверху – замедлитель из углерода. Можно надеяться, что такие ТВЭЛы будут применятся в новых атомных реакторах.
Есть перспектива получения вкладышей критического сечения РДТТ больших размеров и даже блока, включающие самые напряженные части сопла: вход в него, его критическое сечение и выходной конус. Уже сейчас получают плотные тигли для плавки плутония, урана и других металлов.
Известно, что скорость уноса УУКМ в газовых потоках понижается с уменьшением межцентрового расстояния между волокнами, т.е. зависит от их ‹упаковки›, плотности и пористрости. Лучшие результаты могут дать волокна с квадратным поперечным сечением. В любом случае скорость абляции УУКМ с пироуглеродной матрицей вдвое меньше, чем с карбонизованной смолой. Высокая прочность УУКМ сохраняется при рабочих температурах деталей ракет, и составляет не ниже 11 кгс/мм2
(Т˃ 3000 0С).
При создании УУКМ нужно правильно выбирать структуру и плотность углеродного каркаса, температуру и скорость осаждения пироуглерода, а так же другие параметры, т.к. вместо пироуглерода можно получить сажу или слишком напряженную конструкцию, неравномерное распределение компонентов, а отсюда – низкие термостойкость, и т.д.
6.8.1. КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ РАСТРУБА ИЗ УУКМ
Исходный материал для получения углеродной ткани –ПАН-В. Можно применять ленту, полученную из ткани, или жгут ВММ-4. Ткань или жгут карбонизуются при температуре 900 0С или графитизуются при температуре 2 100 0С. На оправке лентой или жгутом (мокрым) способом наматывается сразу два раструба. В качестве связующего применяется бакелитовый лак (фенол-формальдегидная смола).
Схема сборки перед полимеризацией такая же, как и при изготовлении углепластиков или углеметаллопластиков, поэтому приводить её здесь не будем. Отвержение производится в гидроклаве при температуре 160 0С и давлении 20…40 кгс/см2 (2…4 МПа). Время отвержения 8 часов, охлаждение производится в гидроклаве с выключенными нагревателями (тэнами).
Затем оправка с намотанными раструбами вынимается с гидроклава, освобождается от глицерина, с неё снимается резиновый мешок, обкладные листы, сетка, двунитка. Сначала выполняется механическая обработка наружной поверхности материала, затем подрезка торцов малого диаметра и, наконец, разрезка по среднему(наибольшему)диаметру. Из предусмотренных припусков вырезаются образцы, на которых проверяется степень полемеризации, определяются механические и теплофизические характеристики.
В случае если размеры раструба велики, трудно изготовить оправку для одновременной намотки двух раструбов, или ограничены размеры и возможности намоточного станка, производят намотку одного раструба. Оправка в этом случае имеет контур раструба (конус или оживальная форма), который сочитается с полусферой, как показано на рис.57.
Р
ис.57. Оправка для намотки одного раструба (конуса).а-б – линия подрезки по малому торцу;
в-г – линия подрезки по большому торцу.
Подрезка на такой оправке производится по малому торцу и большому в месте перехода к сфере.
Для снятия намотанного изделия применяется приспособление, показанное на рис.58.
Снятие отверждённого конуса производится следующим образом. Приспособление устанавливается на специальной подставке. После подрезки на большой торец конуса из углепластика надевается стальное кольцо, за которое потом цепляются снизу крючки штанг (их должно быть не менее четырех). Поворотом воротка рукоятки 1 винт ввинчивается в опорную гайку 10 и через вал 5 выжимает оправку. Понятно, что углепластиковый конус
н
ужно просто <сорвать>, а дальше он снимается даже в ручную, если масса его не велика.Следующей операцией является ультразвуковой контроль оболочки – вручную или на механизированной установке типа ДКР (дефектоскопический контроль раструба).
Карбонизация. Это процесс превращения полимера в углеродное вещество. В печи сопротивления с графитовым нагревателем, который представляет собой набор последовательно соединенных стержней, производится постепенный нагрев до температуры 900…1000 0С (1173…1273 К). При этой температуре в течении 60 часов происходит разрушение полимерных цепей, освобождение матрицы от летучих компонентов, которые являются продуктами разложения или деструкции полимера. В качестве летучих могут быть СО, СО2 , пары воды, радикалы органических кислот, спиртов и т.п. После карбонизации образуется твердый пористый углеродный каркас. В зависимости от назначения он может подвергаться следующим операциям:
- насыщению пироуглеродом при температуре 1000…1100 0С,
- графитации при температуре 2100…2200 0С в течении 24 часов.
Например, оболочки раструба подвергаются насыщению, а заготовки вкладыша – графитации.
После насыщения пироуглеродом можно подвергать графитации оболочку (к примеру, так получают материал раструба КУПВМ-ПУ), равно как и графитированный каркас. При графитации происходит образование кристаллической структуры и усадка внутри каркаса, за счёт чего образуется пористость, хотя значительно меньше, чем при карбонизации.
Насыщение пироуглеродом происходит в течении не менее 7 суток.
Так как при графитации образуются поры, то для уменьшения общей пористости циклы насыщения могут повторятся. Общее время насыщения – графитации достигает 400 часов. Охлаждение насыщенной заготовки осуществляется сначала понижением подаваемой электрической мощности, а после достижения температуры в печи 600…700 0С нагрузка отключается, и производится свободное охлаждение с закрытой печью. Когда температура снизится до 250…300 0С, печь можно открыть.
Дальнейшие операции: обязательный ультразвуковой контроль и механическая обработка, доводка до необходимых размеров.
Для углерод – углеродных материалов нужно соблюдать специальный режим скорости и глубины резания и т.п.
6.8.2. ПЛАСТИНЧАТЫЙ ПИРОГРАФИТ
Идеальная кристаллическая структура графита предполагает высокую анизотропию его свойств, но в природе таких структур нет, а обычные природные и искусственные графиты являются поликристаллическими веществами.
Пластинчатый пирографит предполагает близкую к нормальной структуру графита. Она представляет собой гексагональную слоистую структуру, состоящую из плоских шестиугольных сеток, в узлах которой находятся атомы углерода.
Расстояние между атомами углерода в сетке а0 =1,49Å, а между плоскими сетками Б=3,49Å (рис.59). Такая структура определяет высокую температуру плавления графита и ярко выраженную анизотропию свойств.
Больше всего в структуре монокристаллического графита приближается пластинчатый пирографит, полученный методом пиролиза углеродсодержащих газов на горячей поверхности.
Обычный пластинчатый пирографит получают путём разложения метана в электровакуумных печах, на графитовой подложке, имеющей температуру 25000С. Нагрев подложки осуществляется прямым пропусканием тока или индукционным методом.
Пирографит осаждается слоями толщиной от 3 до 10 мм, но не более, т.к. при больших толщинах возникают сильные внутренние напряжения в материале. Полученный материал отличается высокой плотностью, прочностью и сильно выраженной анизотропией свойств (табл.28)
Свойства пластинчатого пирографита Таблица 28.
| Т,К | λ||, Вт/(м·К) | λ┴, Вт/(м·К) | Ср, кДж/(кг·К) | σв, МПа |
| 293 | 4 | 0,027 | 1,4 | 110 |
| 473 | 3,6 | 0,015 | 1,7 | |
| 673 | 3,3 | 0,006 | 2,3 | |
| 873 | 2,4 | 0,0043 | 2,5 | |
| 1073 | 1,65 | 0,003 | 2,7 | |
| 1273 | | | 3,02 | |
| 2000 | | | 3,7 | |
| 3000 | | | | 350 |
Обозначения: Т – температура; λ|| - теплопроводность параллельно слоям; λ┴ - теплопроводность перпендикулярно слоям; Ср- удельная теплоёмкость; σв- прочность при растяжении.
Как видно из таблицы, пластинчатый пирографит обладает высокой анизотропией свойств, что хорошо иллюстрируется его теплопроводностью.
К этому нужно добавить, что омическое сопротивление в направлении, параллельном слоям, примерно в 50 раз меньше, чем в перпендикулярном направлении (50 Ом·м и 2400 Ом·м, соответственно). Твёрдость по Моосу в параллельном направлении к слоям составляет 1, а в перпендикулярном – 4,5 единицы.
Механические свойства, как и для обычного графита, возрастают с повышением температуры: прочность при растяжении составляет 110 МПа при нормальной температуре и 350 МПа – при температуре 3000 К.
Пластинчатый пирографит в последние годы находит широкое применение в ракетной и атомной технике в США и в нашей стране.
Так как из пирографита нельзя получать толстостенные изделия, то они набираются из пластин допустимой толщины и доводятся с помощью механической обработки до нужной формы.
На рис.60 показана конструкция соплового вкладыша из пластинчатого пирографита. В такой конструкции вкладыша слои пирографита направлены перпендикулярно к газовому потоку. Благодаря высокой теплопроводности пирографита в направлении, параллельном слоям, с рабочей поверхности тепло интенсивно отводится к периферии, т.е., к массивной обойме, и температура её понижается. Твёрдость пирографита в направлении газового потока составляет 4,5 единицы по Моосу и практически не уменьшается до рабочих температур, что способствует высокой эрозийной стойкости поверхности материала. Названы свойства пирографитовой конструкции вкладыша обусловливают высокие абляционные свойства материала при очень высоких температурах, имеющих место в соврименных твёрдотопливных двигателях.
Пирографит может использоваться как экранирующий материал и замедлитель в ядерных ракетных двигателях (ЯРД). Кроме того, пирографит и пироуглерод, полученные по специальной технологии, могут использоватся как полупроводники. На эти свойства углеродных материалов указывал ещё А.Ф. Иоффе в 1919 году. Осаждение таких материалов можно осуществлять в электростатических полях в вакууме.
В заключение нужно отметить, что по типу углерод-углеродных материалов, могут быть созданы и уже создаются пирокарбиды, найдены новые полупроводниковые и сверхпроводящие материалы.
Конечно, все рассмотренные углерод – углеродные материалы и технологии требуют своего совершенства, возможно, появятся и новые [26, 29, 39-42].