Углеродные композиты. Углерод-углеродные композиционные материалы. Газофазные методы осаждения-напыления

Общие характеристики и применение

Углерод-углеродные композиционные материалы (УУКМ) содержат в себе углеродный формирующий элемент в виде дискретных волокон, непрерывных нитей или жгутов, войлоков, лент, тканей с плоским и объемным плетением, объемных каркасных структур. Волокна располагаются неупорядоченно в одном, двух и трех направлениях.

Углеродная матрица объединяет в одно целое формирующие элементы в композите, что позволяет лучшим образом воспринять различные внешние нагрузки. Предопределяющими факторами при выборе материала матрицы являются состав, свойства и структура кокса. К количеству специальных свойств УУКМ относится низкая пористость, низкий коэффициент термического расширения, сохранение стабильной структуры и свойств, а также размеров изделий при нагревах до 2000 °С и охлаждении, высокие механические свойства, а также хорошая электропроводность. Основное применение композиционные материалы находят в агрегатах, которые работают при температурах свыше 1200 °С.

Перечисленные преимущества УУКМ позволяют успешно их применять в качестве тормозных дисков в авиационном производстве, соплах ракетных двигателей, защитных накладках крыльев космических челноков, пресс-формах, тиглях, роторах турбин, труб высокого давления, для подшипников скольжения, уплотнений и во многих других случаях. Особо надо отметить повышающийся интерес на использование композиционных материалов в электротехнике.

Существует многочисленные области употребления углерод-углеродных материалов, благодаря тому, что УУКМ обладает высокой биосовместимостью, устойчивостью к влиянию биологической среды, отсутствием токсичности. Кроме того эти материалы могут применяться в медицине, так как электропроводность УУКМ близка к человеческой. В машиностроительной промышленности углеродный композиционный материал употребляется как неметаллический материал самосмазывающийся тяжело нагруженных подшипников скольжения в узлах трения. При нормальных условиях материал нейтрален к атмосферному влиянию и агрессивному воздействию кислот и щелочей.

Примерами углерод-углеродных композиционных материалов выступают: тепловые узлы и комплектующие элементы для печей, в которых проводится плавка, спекание, обжиг, выращивание монокристаллов, термостатирование.

В конце XX века композитные материалы на основе совершили революцию в строительстве и инженерном деле. Переплетенные углеродные нити, скрепленные между собой с помощью эпоксидной смолы и запеченные в автоклаве, оказались чрезвычайно востребованы в разных отраслях промышленности.

Углеродные композитные материалы ценятся за свои уникальные эксплуатационные свойства. Их основные преимущества:

• высокая прочность, в несколько раз превышающая характеристики легированной стали;
• малый удельный вес, позволяющий заменять массивные детали более легкими углепластиковыми аналогами;
• сверхвысокая коррозионная стойкость, практически полностью исключающая возможность повреждения композитных элементов в результате воздействия агрессивных сред;
• высокая термостойкость, необходимая для изготовления деталей и узлов, испытывающих значительные термические нагрузки.

Несмотря на более высокую стоимость композитов по сравнению с легированными сплавами, уникальные свойства углеродных материалов обусловили их широкое распространение в различных отраслях: от строительства, использующего углеродные жгуты и холсты зданий и сооружений, до аэрокосмической отрасли, где из композитов изготавливают целые детали и узлы.

Для производства композитов требуются значительные интеллектуальные и материальные ресурсы. Затратный, дорогостоящий и технически сложный процесс получения качественной продукции исключает возможность применения углеродных материалов, изготовленных в гаражных условиях, для серьезных задач.

ООО «Дипчел» является дистрибьютором крупнейшего российского производителя композитных материалов ХК «Композит» и ее дочерней структуры Нанотехнологического центра композитов. Компания занимается продажей широкого спектра продукции - от углеволокна, полуфабрикатов и до готовых изделий, .

В интернет-магазине dipchel.ru:

• выгодные цены на углеродные композиционные материалы благодаря прямым поставкам от производителей;
• безупречное промышленное качество продукции, позволяющее использовать композиты для ответственных задач;
• оперативная доставка товаров по Москве, в другие регионы России и за рубеж.

Компания принимает заказы на изготовление углепластиковых деталей произвольных размеров и форм. Наши технологии производства углеродных материалов позволяют выпускать высококачественную продукцию, которая соответствует самым строгим допускам по геометрическим размерам и отличается великолепными эксплуатационными характеристиками.

Чтобы сделать заказ на изготовление деталей или купить углеродные материалы для ваших производственных нужд, оставьте заявку на сайте или позвоните по телефону 8-800-350-50-57.

ГОСТ Р 57970-2017

НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

КОМПОЗИТЫ УГЛЕРОДНЫЕ. УГЛЕРОДНЫЕ КОМПОЗИТЫ, АРМИРОВАННЫЕ УГЛЕРОДНЫМ ВОЛОКНОМ

Классификация

Carbon composites. Carbon composites reinforced with carbon fiber. Classification

ОКС 01.040.71

Дата введения 2018-06-01

Предисловие

Предисловие

1 ПОДГОТОВЛЕН Объединением юридических лиц "Союз производителей композитов" совместно с Автономной некоммерческой организацией "Центр нормирования, стандартизации и классификации композитов" на основе собственного перевода на русский язык англоязычной версии стандарта, указанного в пункте 4

2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 497 "Композиты, конструкции и изделия из них"

3 УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 21 ноября 2017 г. N 1789-ст

4 Настоящий стандарт является модифицированным по отношению к стандарту АСТМ Ц1836-16* "Стандартная классификация для конструкций из углерод-углеродного композитного материала, армированных волокном" (ASTM С1836-16 "Standard Classification for Fiber Reinforced Carbon-Carbon Composite Structures", MOD) путем изменения содержания отдельных структурных элементов, которые выделены вертикальной линией, расположенной на полях этого текста. Оригинальный текст этих структурных элементов приведенного стандарта АСТМ и объяснения причин внесения технических отклонений приведены в дополнительном приложении ДА.
________________
* Доступ к международным и зарубежным документам, упомянутым здесь и далее по тексту, можно получить, перейдя по ссылке на сайт http://shop.cntd.ru . - Примечание изготовителя базы данных.


В настоящий стандарт не включены ссылки на АСТМ Ц242, АСТМ Ц559, АСТМ Ц838, АСТМ Ц1039, АСТМ Ц1198, АСТМ Ц1259, АСТМ Ц1275, АСТМ Ц1773, АСТМ Ц1783, АСТМ Д4850, АСТМ Д6507, АСТМ Е6, АСТМ Е111, АСТМ Е1309, разделы 4, 5, подразделы 1.1-1.6, 6.5 примененного стандарта АСТМ, которые нецелесообразно применять в российской национальной стандартизации, так как они имеют поясняющий и справочный характер.

В настоящий стандарт не включен также раздел 3 примененного стандарта АСТМ, так как термины и определения, приведенные в данном разделе, нецелесообразно применять в российской национальной стандартизации, они заменены терминами по ГОСТ 32794 . Указанные структурные элементы, не включенные в основную часть настоящего стандарта, приведены в дополнительном приложении ДБ.

Наименование настоящего стандарта изменено относительно наименования указанного стандарта АСТМ для приведения в соответствие с ГОСТ Р 1.5-2012 (пункт 3.5).

В настоящем стандарте ссылки на стандарты АСТМ заменены ссылками на соответствующие межгосударственные стандарты. Сведения о соответствии ссылочных межгосударственных стандартов стандартам АСТМ, использованным в качестве ссылочных в примененном стандарте АСТМ, приведены в дополнительном приложении ДВ.

Сопоставление структуры настоящего стандарта со структурой указанного стандарта АСТМ приведено в дополнительном приложении ДГ. Разъяснение причин изменения структуры приведено в примечаниях в приложении ДГ

5 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ

6 ПЕРЕИЗДАНИЕ. Август 2018 г.


Правила применения настоящего стандарта установлены в статье 26 Федерального закона от 29 июня 2015 г. N 162-ФЗ "О стандартизации в Российской Федерации" . Информация об изменениях к настоящему стандарту публикуется в ежегодном (по состоянию на 1 января текущего года) информационном указателе "Национальные стандарты", а официальный текст изменений и поправок - в ежемесячном информационном указателе "Национальные стандарты". В случае пересмотра (замены) или отмены настоящего стандарта соответствующее уведомление будет опубликовано в ближайшем выпуске ежемесячного информационного указателя "Национальные стандарты". Соответствующая информация, уведомление и тексты размещаются также в информационной системе общего пользования - на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет (www.gost.ru)

1 Область применения

2 Нормативные ссылки

В настоящем стандарте использованы нормативные ссылки на следующие стандарты*:
________________
* Таблицу соответствия национальных стандартов международным см. по ссылке. - Примечание изготовителя базы данных.


ГОСТ 32794 Композиты полимерные. Термины и определения

Примечание - При пользовании настоящим стандартом целесообразно проверить действие ссылочных стандартов в информационной системе общего пользования - на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет или по ежегодному информационному указателю "Национальные стандарты", который опубликован по состоянию на 1 января текущего года, и по выпускам ежемесячного информационного указателя "Национальные стандарты" за текущий год. Если заменен ссылочный стандарт, на который дана недатированная ссылка, то рекомендуется использовать действующую версию этого стандарта с учетом всех внесенных в данную версию изменений. Если заменен ссылочный стандарт, на который дана датированная ссылка, то рекомендуется использовать версию этого стандарта с указанным выше годом утверждения (принятия). Если после утверждения настоящего стандарта в ссылочный стандарт, на который дана датированная ссылка, внесено изменение, затрагивающее положение, на которое дана ссылка, то это положение рекомендуется применять без учета данного изменения. Если ссылочный стандарт отменен без замены, то положение, в котором дана ссылка на него, рекомендуется применять в части, не затрагивающей эту ссылку.

3 Термины и определения

В настоящем стандарте применены термины по ГОСТ 32794 .

4 Классификация

4.1 Углерод-углеродные композиты классифицируют по следующим признакам:

- по типу волокна;

- по типу армирования;

- по методу уплотнения матрицы;

- по физическим свойствам;

- по механическим свойствам.

4.2 По типу волокна углерод-углеродные композиты подразделяются на:

- А - содержащие углеродное волокно на основе полиакрилонитрила (ПАН);

- Р - содержащие углеродное волокно на основе пека;

- R - содержащие углеродное волокно на основе вискозы;

- Н - содержащие смесь углеродных волокон.

4.4 По методу уплотнения матрицы углерод-углеродные композиты подразделяются на:

- S - композиты, матрица которых уплотнена инфильтрацией и пиролизом термореактивных смол;

- Р - композиты, матрица которых уплотнена инфильтрацией и пиролизом термопластичных смол (пеков);

- С - композиты, матрица которых уплотнена осаждением пара при химической реакции углеводородов;

- Н - композиты, матрица которых уплотнена инфильтрацией смол и пара при химической реакции.

4.7 Примеры условных обозначений

Условное обозначение углерод-углеродных композитов включает в себя:

- аббревиатуру углеродного композита (С3);

- тип волокна, тип армирования, метод получения матрицы;

- физические свойства;

- механические свойства.

Примеры условных обозначений углерод-углеродных композитов:

1 Углеродный композит с углеродным волокном на основе ПАН, тип армирования двунаправленный, матрица уплотнена осаждением пара при химической реакции углеводородов, объемная доля волокна 45%, объемная плотность 1,5 г/см, пористость менее 2%, предел прочности при растяжении 360 МПа, модуль упругости 35 ГПа:

С3-А2С-4С2*-32

2 Углеродный композит с углеродным волокном на основе пека, тип армирования однонаправленный, матрица уплотнена инфильтрацией и пиролизом термореактивных смол, объемная доля волокна 52%, объемная плотность 1,5 г/см, пористость менее 12%, предел прочности при растяжении 250 МПа, модуль упругости 60 ГПа:

C3-P1S-5C10-24

Приложение ДА (справочное). Оригинальный текст модифицированных структурных элементов примененного стандарта АСТМ

Приложение ДА
(справочное)

ДА.1

1.1 Данная классификация относится к конструкциям из углерод-углеродного (С-С) композитного материала, армированным волокном (плоские плиты, прямоугольные бруски, круглые стержни и трубки), изготовленным специально для элементов конструкции. Углерод-углеродные композитные материалы состоят из углеродных/графитных волокон (полиакрилонитрильных (ПАН), пековых или вискозных первичных волокон) в углеродной/графитной матрице, возникающей в результате пропитки жидкостью/пиролиза или химической инфильтрации из паровой фазы, или и того, и другого.

Примечание - Настоящий раздел стандарта АСТМ изменен в соответствии с требованиями ГОСТ 1.5-2001 (подраздел 3.7), а также в целях соблюдения норм русского языка, принятой терминологии и технического стиля изложения.

ДА.2

6 Классификация углерод-углеродных композитов

6.3 Класс архитектуры. Углерод-углеродные композиты идентифицируют по классу на основе архитектуры волоконного армирования.

6.3.1 Класс 1 - одномерная (1D) намотка филамента или одномерная укладка одноосного мотка.

6.3.2 Класс 2 - пластины из двухмерных (2D) стопок полотна, укладка 0-90 перекрестными слоями одноосного мотка или двухмерное плетение/намотка.

6.3.3 Класс 3 - трехмерные (3D) витые, плетеные или вязаные волоконные заготовки.

Примечание 2 - Некоторые двухмерные пластины армированы ограниченной (<5% по объему волокна) сплошной прошивкой/пробивкой волоконным жгутом, их иногда называют архитектурой 2,5D. Для целей настоящей спецификации архитектуры (2,5D) с прошивкой/пробивкой были отнесены к композитам класса 3 (трехмерным).

6.6 Физические свойства. Три ключевые составляющие для классификации физических свойств - объемная доля волокна, объемная плотность и открытая пористость. В таблице 2 представлена система классификации углерод-углеродных композитов на основе объемной доли волокна, объемной плотности и открытой пористости. Скобу нагружают или сжимают (в зависимости от принципа действия устройства) таким образом, чтобы нагрузка передавала эксцентрическое усилие скобе и траверсе, имитируя промежуточное крепление к деревянной, стеклопластиковой, стальной или бетонной опоре.

6.6.1 Данные физические свойства измеряются на основе стандартов испытаний АСТМ, указанных в таблице 2.

Таблица 2 - Коды уровней классификации углерод-углеродных композитов по физическим свойствам

6.7 Механические свойства. Две ключевые составляющие для классификации механических свойств - предельная кольцевая прочность, прочность на растяжение (комнатная температура - КТ) и кольцевой модуль упругости/модуль упругости на растяжение (комнатная температура - КТ) по главной оси. В таблице 3 приведена система классификации структур углерод-углеродных композитов на основе этих двух ключевых механических свойств.

Таблица 3 - Коды уровней классификации углерод-углеродных композитов по механическим свойствам

Примечание 1 - В рамках процесса классификации свойства прочности на четырехточечный изгиб и изгибный модуль не является допустимой альтернативой упругим свойствам ввиду вариативности, обусловленной разными геометриями изгибаемых образцов и разными конфигурациями испытаний.

____________________
* Текст документа соответствует оригиналу. - Примечание изготовителя базы данных.

6.7.1 Данные свойства растяжения измеряют на основе стандартов испытаний, указанных в таблице 3. Средние значения рассчитывают на основе минимального количества испытательных образцов - десять образцов для расчета предельной прочности на растяжение и пять образцов для расчета модуля растяжения.

Примечание - Данный раздел стандарта АСТМ изменен в целях соблюдения норм русского языка, принятой терминологии и технического стиля изложения.

Приложение ДБ (справочное). Оригинальный текст невключенных структурных элементов примененного стандарта АСТМ

Приложение ДБ
(справочное)

ДБ.1

1.2 Система классификации обеспечивает возможность идентифицировать и группировать различные композитные материалы С-С на основании информации о типе волокна, классе его архитектуры, уплотнении матрицы, физических и механических свойствах. Данная система является высокоточным инструментом идентификации, который позволяет группировать разные виды композитных материалов С-С в отдельные классы, а также определять общую структуру и свойства определенного композитного материала С-С. Система может помочь специалистам керамической промышленности при разработке, выборе и применении С-С композитных материалов с необходимым составом, структурой и свойствами для соответствующего применения.

1.3 Система классификации присваивает определенный код соответствующему композитному материалу С-С, который включает в себя информацию о типе волокна, архитектуре армирования, виде матрицы, объемной доле волокна, плотности, пористости, прочности на растяжении и модуле растяжения (при комнатной температуре).

1.3.1 Рассмотрим пример кода классификации углерод-углеродного композитного материала - С3-А2С-4С2*-32 - классификация углерод-углеродного композитного материала/компонента (С3) с углеродным волокном на полиакрилонитрильной (ПАН) основе (А), в двухмерной (2) архитектуре волокна с матрицей инфильтрации паров химической реакции (С), объемной долей волокна 45% (4), объемной плотностью 1,5 г/см (С), открытой пористостью менее 2% (2*), средней величиной предельной прочности при растяжении 360 МПа (3) и средним модулем упругости 35 ГПа (2).

1.4 Данная система классификации является универсальным инструментом идентификации, который использует ограниченный набор свойств композитного материала для точного распределения материалов по группам. Данная система не должна представлять собой полную, детальную спецификацию материала, так как в ней нет полной информации по составу, архитектуре, физическим, механическим, производственным и прочностным характеристикам, которые обычно указываются в полной технической спецификации. Руководство АСТМ Ц1783 содержит полные подробные указания и инструкции по подготовке развернутой спецификации материала для определенного композита С-С.

1.5 Единицы. Величины, указанные в единицах СИ, считаются стандартными. Другие единицы измерения в настоящем стандарте не используют.

1.6 Настоящий стандарт не претендует на освещение в полном объеме всех вопросов соблюдения техники безопасности (если таковые имеются), которые могут возникать в связи с его применением. Ответственность за установление соответствующих мер по технике безопасности и охране труда, а также определение применимости нормативных ограничений до начала использования настоящего стандарта лежит на его пользователе.

ДБ.2

3 Терминология

3.1 Основные определения

Определения многих терминов, встречающихся в данной классификации, можно найти в стандартной терминологии для изделий из графита (АСТМ Ц709), композитных материалов (АСТМ Д3878), тканей и методов испытаний тканей (АСТМ Д4850), а также в терминологии для механических испытаний (АСТМ Е6).

3.1.1 открытая пористость: Объемная доля всех пор, пустот и пазов в массе твердых частиц, взаимосвязанных друг с другом и соприкасающихся с внешней поверхностью, в связи с чем данную характеристику можно измерить глубиной проникновения газа либо жидкости.

3.1.2 сплетенные волокна: Тканое волокно, полученное путем перекрещивания трех или более концов нитей так, чтобы нити располагались по диагонали к вертикальной оси волокна.

3.1.2.1 Исследование. Сплетенные волокна могут иметь двух- и трехмерную архитектуру.

3.1.3 объемная плотность: Масса единицы объема материала с проницаемыми и непроницаемыми пустотами.

3.1.4 ткань: Для текстильных изделий - плоская структура, состоящая из нитей или волокон.

3.1.5 волокно: Волокнистый вид материи с отношением длин сторон >10 и фактическим диаметром <1 мм (синоним - филамент).

3.1.5.1 Исследование. Волокно/филамент является основным элементом ткани и других текстильных структур.

3.1.7 волоконная заготовка: Первичное формообразование волокнистого армирования, обычно без матрицы, но часто содержащее связующее вещество для облегчения производства, формируемое путем распространения/вплетения волокон в форму с приближенными к готовому изделию контуром и толщиной.

3.1.8 графит: Аллотропная кристаллическая форма элементного углерода, встречающаяся в виде минерала, обычно состоящая из гексагональной группы углеродных атомов (пространственная группа Р 63/mmc), но также существующая в ромбоэдрической форме (пространственная группа R 3m).

3.1.9 графитизация: В производстве углерода и графита твердофазное превращение термодинамически неустойчивого аморфного углерода в кристаллический графит при высокотемпературной термообработке в инертной среде.

3.1.9.1 Исследование. Степень графитизации отображает диапазон дальнего трехмерного кристаллографического порядка, определяемый только в рамках исследования дифракции. Степень графитизации значительно влияет на многие свойства, такие как теплопроводность, электропроводность, прочность и жесткость.

3.1.9.2 Исследование. Термин графитизация широко используется для определения процесса термообработки углеродных материалов при Т>2200°С, независимо от степени полученной кристаллизации. Но такое употребление термина некорректно. Следует избегать термина графитизация без внесения в протокол подтверждения дальнего трехмерного кристаллографического порядка, определяемого в рамках исследования дифракции, так как его использование может быть неверным.

3.1.10 гибрид: Композитный материал, содержащий не менее двух разных видов матриц или армирования. Каждая матрица или тип армирования могут различаться по своим (а) физическим и/или механическим свойствам, (b) иметь разную материальную форму или (с) химический состав.

3.1.11 вязаная ткань: Волокнистая структура, получаемая путем переплетения одного или более концов нити или аналогичного материала.

3.1.12 пластина: Любой волокнистый или армированный волокном композитный материал, состоящий из листов (слоев) с одной или более ориентациями относительно какого-либо направления отсчета.

3.1.13 наложение: Процесс изготовления, при котором несколько слоев материала располагаются в определенной последовательности и с определенной ориентацией.

3.1.14 матрица: Непрерывный компонент композитного материала, который окружает или обтекает залитое армирование в композитном материале и действует как механизм передачи нагрузки между дискретными компонентами армирования.

3.1.15 слой: В двухмерных слоистых композитных материалах - отдельный составляющий ряд при производстве или встречающийся в композитной структуре.

3.1.16 жгут: В волокнистых композитных материалах - непрерывная упорядоченная группа, как правило, параллельных коллимированных непрерывных нитей, обычно нескрученных (синоним - ровинг).

3.1.17 однонаправленный композит: Любой композитный материал, армированный волокном, у которого все волокна расположены в одном направлении.

3.1.18 тканое полотно: Волокнистая структура, полученная через переплетение жгутов или нитей, расположенных в двух или более направлениях, на специальном ткацком станке.

3.1.18.1 Исследование. Существует много разновидностей двухмерного ткацкого переплетения, например полотняное, сатиновое, саржевое, корзинное, ломаная саржа и т.д.

3.1.19 нить: В волокнистых композитных материалах - непрерывная упорядоченная группа, как правило, параллельных коллимированных дискретных или непрерывных филаментов, обычно скрученных.

3.1.19.1 одиночная нить: Конец, на котором каждый филамент скручен в одну и ту же сторону.

3.2 Определения терминов, характерных для настоящего стандарта:

3.2.1 Одно-, двух- и трехмерное армирование: Описание ориентации и распределения армирующих волокон и нитей в композитном материале.

3.2.1.1 Исследование. В одномерной структуре все волокна комбинированы с углеродной матрицей, где волокна ориентированы в едином продольном (х ) направлении. В двумерной структуре все волокна расположены в плоскости х-у пластины, бруска или в оплетке по окружности (в направлении по оси и по окружности) стержня или трубы без соединения волокон по направлению оси z или по радиальному направлению. В трехмерной структуре армирующее волокно расположено в плоскости х-у и в направлении z в пластине, бруске или в осевом, радиальном направлении или по окружности трубы или стержня.

3.2.2 осевой предел прочности: Для композитной трубы или твердого круглого стержня - предел прочности вдоль продольной оси стержня или трубки. Для композитной плоской пластины или прямоугольного бруска - предел прочности вдоль геометрической оси/направления.

3.2.3 углерод-углеродный композитный материал: Композит с керамической матрицей, у которого фаза армирования представлена непрерывными углеродными/графитовыми нитями в форме волокна, непрерывной нитью или тканым или сплетенным волокном, содержащимся в непрерывной матрице углерода/графита (1-6).

3.2.4 углеродные волокна: Неорганические волокна с первичным (>90%) элементным составом углерода. Эти волокна образуются посредством высокотемпературного пиролиза органических первичных волокон (обычно, полиакрилонитрильных (ПАН), пековых и вискозных волокон) в инертной среде (синоним - графитовые волокна) (7, 8).

3.2.4.1 Исследование. Термины "углерод" и "графит" часто взаимозаменяемы, однако углеродные волокна и графитовые волокна различаются по температуре производства и теплообработки, по количеству образуемого элементного углерода и получаемой кристаллической структуре углерода. Карбонизация углеродных волокон обычно происходит при приблизительно 2400°F (1300°С) с образованием от 93% до 95% углерода; у графитовых волокон - при 3450°F до 5450°F (от 1900°С до 3000°С), количество элементного углерода в волокне доводится до 99% (7, 8).

3.2.5 осаждение/инфильтрация пара после химической реакции: Химический процесс, при котором твердый материал осаждается на подложке или на пористой заготовке вследствие распада или реакции газообразного исходного вещества.

3.2.5.1 Исследование. Осаждение пара после химической реакции обычно происходит при повышенных температурах в условиях регулируемой среды.

3.2.6 уплотнение при инфильтрации и пиролизе: Для композитных материалов с углеродной матрицей производство матрицы и процесс уплотнения, при котором жидкое органическое исходное вещество (термореактивная смола или пековое волокно) инфильтрируется/внедряется в пористую заготовку или частично пористый композитный материал. Далее органическое исходное вещество пиролизуется в инертной среде для перехода из органической в углеродную форму с необходимой степенью чистоты и кристаллической структурой. Процесс инфильтрации/пиролиза можно неоднократно повторять для заполнения пор и увеличения плотности композитного материала.

3.2.7 геометрическая структурная ось: Для композитной плоской пластины или прямоугольного бруска - направляющая ось, определяемая осью/направлением нагрузки при максимально необходимом уровне прочности при растяжении. Такая ось обычно имеет наибольшую нагрузку на волокно. Данная геометрическая структурная ось не всегда должна быть расположена параллельно по отношению к самой длинной размерной оси пластины/бруска/структуры.

3.2.8 пиролиз: Для композитных материалов с углеродной матрицей - контролируемый тепловой процесс, при котором углеводородное исходное вещество распадается на элементный углерод в инертной среде (синоним - карбонизация).

3.2.8.1 Исследование. Пиролиз обычно приводит к потере веса и высвобождению углерода и паров углеводорода.

3.2.9 прямоугольный брусок: Твердый прямой стержень прямоугольного сечения с такими геометрическими параметрами, как ширина, толщина и длина продольной оси.

3.2.10 круглый стержень: Твердый прямой продолговатый цилиндр с такими геометрическими параметрами, как наружный диаметр и осевая длина.

3.2.11 круглая трубка: Полый продолговатый цилиндр с такими геометрическими параметрами, как наружный диаметр, внутренний диаметр и осевая длина.

3.2.12 поверхностное уплотняющее покрытие: Неорганическое защитное покрытие, которое наносится на внешнюю поверхность композитного материала С-С для защиты от окисления при воздействии высоких температур или от коррозии либо для повышения износостойкости и прочности материала на истирание. Для таких покрытий обычно используется прочный, непроницаемый, керамический материал.

ДБ.3

4 Значение и применение

4.1 Композитные материалы определяются фазой/фазами армирования в матрице. Состав и структуру этих составляющих компонентов в композитах специально регулируют для конкретной области применения с учетом специфических требований к их рабочим характеристикам. В случае углерод-углеродных композитов с волоконным армированием особое внимание уделяют выбору волокон армирования (состав, свойства, структура, контактное покрытие и т.д.), матрицы (состав, свойства и структура), структуры композита (составляющие фракции, архитектура армирования, контактное покрытие, структура пористости, микроструктура и т.д.) и условиям обработки (сборка, формование, уплотнение, обработка поверхности и т.д.). Может быть выбран широкий диапазон конечных инженерно-технических свойств (физических, механических, тепловых, электрических и т.д.) со значительной направленной анизотропией свойств (9-12).

4.2 Предложенная система классификации позволяет проектировщикам/пользователям/изготовителям определять и организовывать различные виды композитов С-С (на основе волокна, матрицы, архитектуры, физических и механических свойств) для применения в конструкциях разного типа. Систему могут использовать специалисты композитной промышленности при разработке, выборе и применении композитных материалов С-С с необходимым составом, структурой и свойствами для применения соответственно.

4.3 Данная система классификации является высококлассным инструментом идентификации, который использует ограниченный набор свойств композитного материала для точного распределения материалов по группам. Данная система не должна представлять собой полную, детальную спецификацию материала, т.к. в ней нет полной информации по составу, архитектуре, физическим, механическим, производственным и прочностным характеристикам, которые обычно указываются в полной технической спецификации. АСТМ Ц1783 содержит указания и инструкции по подготовке развернутой спецификации материала для определенного композита С-С.

ДБ.4

5 Углерод-углеродные композиты

5.1 Углерод-углеродные композиты состоят из углеродно-графитного армирующего волокна в углеродно-графитной матрице. Сочетание волокон и углеродной матрицы, волоконная архитектура (форма и структура волоконной заготовки, многомерное распространение волокна и объемное содержание волоконного армирования), состав фазы матрицы, микроструктура, плотность и пористость композита специально подобраны для получения оптимальных характеристик композита. Волокна могут быть подвержены поверхностной обработке для улучшения характеристик волокна/ткани или для контроля над связями между волокном и матрицей (9-15).

5.2 Механические, тепловые и физические свойства углерод-углеродных (С-С) композитов определяются сложным взаимодействием составляющих элементов (волокно, матрица, пористость) в плане химических свойств элементов, состава фазы, микроструктуры, свойств и содержания фракций; архитектуры волокна; связей между волокном и матрицей и влияния обработки на свойства составляющих элементов, их структуру и физические взаимодействия. Каждый из этих факторов может быть изменен для создания структуры/компонента с необходимыми механическими, физическими и тепловыми свойствами. Характеристики направления в композитах С-С могут быть изменены посредством анизотропной архитектуры армирования из углеродного волокна (9-15).

5.3 Углеродно-графитные волокна - это непрерывные филаменты малого диаметра (5-20 мкм), изготовленные из полиакрилонитрильных, пековых и вискозных первичных волокон. Механические и тепловые свойства углеродного волокна в значительной степени зависят от содержания углерода, кристаллической решетки, размера кристаллитов и направления волокон. Эти факторы обусловлены химическим составом первичных волокон и условиями обработки (намотка, карбонизация и графитизация). Углеродные волокна обычно классифицируют как высокопрочные (прочность на растяжение ~3-5 ГПа, модуль упругости ~200-400 ГПа) или высокомодульные (модуль упругости >500 ГПа, прочность на растяжение <3 ГПа). Углеродные волокна часто значительно различаются по своим механическим и тепловым свойствам в осевом направлении по сравнению с радиальным направлением анизотропии кристаллической структуры (8, 9).

5.4 Углеродные волокна обычно объединяют в плотные многофиламентные жгуты, которые могут быть свернуты или уложены в одномерные конструкции, сплетены/уложены/скручены/связаны в двухмерные конструкции или сплетены/уложены/скручены/прошиты в трехмерные конструкции. Каждая из этих волоконных конструкций производится с определенной архитектурой волокон и широким диапазоном состава волокна. В разных волоконных архитектурах могут быть разные показатели анизотропии армирования в зависимости от относительного содержания волокна в каждом ортогональном направлении.

Примечание 1 - Ряд существующих на рынке углеродо-углеродных композитов имеет двухмерную плетеную архитектуру полотна и упаковывается многослойными стопками. Композит С-С уплотняется для получения конечной конструкции с ортотропическими или квазиизотропическими механическими и тепловыми свойствами.

5.5 Углеродную матрицу в композитах С-С обычно изготовляют двумя способами: путем многоступенчатой жидкой инфильтрации/пиролиза или путем инфильтрации паров при химической реакции (1-6). В этих двух процессах формирования матрицы используют разные первичные волокна и разные условия обработки, что обуславливает различия в химическом составе, кристаллизации, структуре и микроструктуре (плотность, пористость и трещины) углеродной матрицы. Путем комбинации двух процессов уплотнения матрицы можно создать гибридную углеродную матрицу.

5.6 В некоторых композитах С-С неорганическое защитное покрытие наносится на внешнюю поверхность композита для защиты от окисления при воздействии высоких температур или от коррозии, либо для повышения износостойкости и прочности материала на истирание. Для таких покрытий обычно используют прочный, непроницаемый керамический материал.

5.7 Взаимодействие этих трех наборов переменных факторов [(1) - тип, свойства и покрытие углеродного волокна; (2) - состав волокна, структура жгута и архитектура; (3) - состав и свойства фазы матрицы, кристаллизация, плотность, структура и пористость] позволяет создавать композиты С-С с широким диапазоном механических и физических свойств, а также специально подобранными анизотропными характеристиками в основных направлениях.

ДБ.5

6.5 В таблице 1 обобщены коды классификации по типу, классу и уровню углерод-углеродных композитов.

Таблица 1 - Коды классификации углерод-углеродных композитов

Приложение ДВ (справочное). Сведения о соответствии ссылочных национальных и межгосударственных стандартов стандартам АСТМ, использованным в качестве ссылочных в примененном стандарте АСТМ

Приложение ДВ
(справочное)

Таблица ДВ.1

Приложение ДГ (справочное). Сопоставление структуры настоящего стандарта со структурой примененного в нем стандарта АСТМ

Приложение ДГ
(справочное)

Таблица ДГ.1

Электронный текст документа
подготовлен АО "Кодекс" и сверен по:
официальное издание
М.: Стандартинформ, 2018

ИЗОБРЕТЕНИЕ
Патент Российской Федерации RU2556673

Область деятельности(техники), к которой относится описываемое изобретение

Изобретение относится к композитным материалам, а в частности к композитным материалам на основе углерода и способам их получения, и может быть использовано в ракетно-космической и авиационной отраслях, при металлообработке, обработке природного камня, других твердых и сверхтвердых материалов.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Композитные материалы - это многокомпонентные материалы, состоящие из полимерной, металлической, углеродной, керамической или другой основы (матрицы, связующего), армированной наполнителями из волокон, нитевидных кристаллов, тонкодисперсных частиц и др. Путем подбора состава и свойств наполнителя и матрицы, их соотношения, ориентации наполнителя можно получить материалы с требуемым сочетанием эксплуатационных и технологических свойств.

По структуре наполнителя композитные материалы подразделяют на волокнистые (армированы волокнами и нитевидными кристаллами), слоистые (армированы пленками, пластинками, слоистыми наполнителями) и дисперсноармированные или дисперсноупрочненные (с наполнителем в виде тонкодисперсных частиц). Матрица в композитных материалах обеспечивает монолитность материала, передачу и распределение напряжения в наполнителе, определяет тепло-, влаго-, огне- и химическую стойкость.

По природе матричного материала различают полимерные, металлические, углеродные, керамические и другие композиты.

Наиболее широкое применение в технике получили композитные материалы, армированные высокопрочными и высокомодульными непрерывными волокнами. Среди них особый интерес представляют:

Композитные материалы на основе углерода, армированного углеродными волокнами (углерод - углеродные материалы);

Rnrnrn rnrnrn rnrnrn

Композитные материалы на основе керамики, армированной углеродными, карбидкремниевыми и другими жаростойкими волокнами.

Большое внимание уделяется созданию новых композитных материалов как на основе известных, так и на основе относительно недавно открытых новых модификаций углерода с другими элементам. Появляется возможность конструирования материалов с заданными параметрами, собранными из атомных кластеров с необходимыми физико-химическими свойствами.

В настоящее время описана аллотропная форма углерода - фуллерен, который используют, например, в качестве исходного продукта при получении алмазов ( The fullerens , edited by H.W. Kroto, J.E. Fischer, D.E. Cox, PergamonPress, Oxford, NewYork, Seoul, Tokyo, 1993).

Фуллерен представляет собой молекулу, в которой атомы углерода (60-240 и более) связаны между собой таким образом, что образуют полое тело с формой, близкой к сферической. Так, например, молекула фуллерена C 60 напоминает футбольный мяч, она образована 20 шестиугольниками и 12 пятиугольниками. Межатомные расстояния в молекуле фуллерена C 60 остались практически столь же короткими и прочными, как в слое графита (т.е. в графене); диаметр молекулы составляет около 0,7 нм.

Известен сверхтвердый углеродный материал и способ его получения, при этом в качестве исходного углеродного материала используют аллотропную форму углерода - фуллерен C 60 (патент РФ 2127225, 1996 г).

На фуллерен C 60 воздействуют давлением 7.5-37 ГПа и температурой, выбранной в интервале 20-1830°C в аппаратах высокого давления: типа «тороид», типа наковален Бриджмена и др. При воздействии на исходный фуллерен давления и температуры происходит полимеризация молекул или фрагментов молекул фуллерена. Компактные образцы материала имеют высокие механические и электрофизические свойства.

Однако несмотря на высокие механические свойства описанных сверхтвердых материалов теплопроводность их крайне низка.

Это, в частности, ограничивает применение этих материалов в режущих инструментах, поскольку отсутствие отвода тепла, интенсивно выделяемого в области контакта изделия и инструмента сильно ограничивает производительность такого инструмента, и ведет к выходу его из строя из-за перегрева.

Кроме того, известные в настоящее время аппараты высокого давления (при 7.5-37 ГПа) имеют небольшие объемы, поэтому ограничивают размеры изделия, которое можно изготовить из материала, полученного в таких аппаратах. Так, легко можно изготовить наконечник режущего инструмента длиной 1 см, но элемент корпуса летательного аппарата длиной 1 м изготовить уже невозможно.

Поэтому изделия, которые можно изготовить из материала, полученного известным способом, представляют собой в основном наконечники для режущих инструментов.

Rnrnrn rnrnrn rnrnrn

Известен сверхтвердый композиционный материал и способ его получения (патент РФ 2491987, 2011 г.). Способ включает воздействие высокого давления и температуры на исходный углеродный компонент, в качестве которого используют алмаз и связующий компонент, при этом углеродный компонент дополнительно содержит фуллерен и/или наноалмаз, а в качестве связующего компонента используют один или несколько компонентов, выбранных из ряда: сплав кремнистая бронза, сплав монель, твердый сплав.

Получение материала проводят в два этапа, на первом из которых на смесь исходных компонентов воздействуют динамическим давлением 10-50 ГПа при температуре 900-2000°C, а на втором полученный материал помещают в аппарат высокого давления и воздействуют статическим давлением от 5 до 15 ГПа и нагревают до температуры 700-1700°C в течение не менее 20 секунд.

Известный способ позволяет получить углеродный материал с высокой микротвердостью, упругостью и повышенной износостойкостью, что дает возможность использовать его в горнодобывающей, камнеобрабатывающей и металлообрабатывающей промышленности.

Однако известные в настоящее время аппараты высокого давления (при 7.5-37 ГПа) имеют небольшие объемы, поэтому ограничивают размеры изделия, которое можно изготовить из материала, полученного в таких аппаратах, что не позволяет использовать описанный материал в ракетно-космической и авиационной отраслях

Известен алюминиевый сплав В95, а также композит на основе углеродных волокон и эпоксидной смолы, являющиеся примерами одновременно прочного и легкого материала. Указанные материалы имеют наиболее высокое значение показателя прочности - / около 200 (показатель прочности - отношение прочности при растяжении или поперечном изгибе (в единицах МПа) и плотности (в единицах г/см 3) /)

Однако оба материала не являются высокотвердыми (твердость менее 1-2 ГПа) и, тем более, жаростойкими (рабочая температура менее 200°C).

Известные углерод-углеродные композиционные материалы являются прочными и жаростойкими, но не являются высокотвердыми (Композиционные материалы. Справочник под ред. В.В. Васильева, Ю.М. Тарнопольского. - М., 1990).

Другой известный материал - карбид бора, B4C является легким (плотность 2,52 г/см 3), высокотвердым (твердость около 35 ГПа) и жаростойким (рабочая температура до 2000°C), однако при этом чрезвычайно хрупким, так что указанный параметр / для него практически невозможно определить (Самсонов Г.В., Косолапова Т.Я., Домасевич Л.Т. Свойства, методы получения и области применения тугоплавких карбидов и сплавов на их основе. - Киев, 1974).

Известна работа (Hard disordered phases produced at high-pressure-high-temperature treatment of C 60 . V.D. Blank, V.N. Denisov, A.N. Ivlev, B.N. Mavrin, N.R. Serebryanaya, G.A. Dubitsky, S.A. Sulynov, M. Yu. Popov, N. Lvova, S.G. Buga and G. Kremkova. Carbon, V. 36, P 1263-1267 (1998)), в которой описан способ получения высокотвердого (с твердостью между 10 ГПа и кубическим BN (50 ГПа)) углеродного материала из молекулярного фуллерена C 60 и сам этот материал, названный в работе слоистый поперечно-связанный разупорядоченный углеродный материал . Высокотвердый (с твердостью 10-50 ГПа) слоистый поперечно-связанный разупорядоченный углеродный материал, далее именуемый как фуллерит ВТ, получают в аппаратах высокого давления (при 7-8 ГПа и нагреве 600-1600°C).

Плотность фуллерита ВТ составляет около 2,1 г/см 3 и твердость H, как отмечено выше, более 10 ГПа. Воспользовавшись известными соотношениями между прочностью и твердостью, для фуллерита ВТ можно ожидать значение указанного параметра / больше 1000.

Кроме высокой твердости, фуллерит ВТ обладает эффектом практически полного упругого восстановления отпечатка при индентировании, что указывает на его уникальные механические свойства при применении в качестве конструкционного материала.

А известные в настоящее время аппараты высокого давления (при 7.5-37 ГПа) имеют небольшие объемы, поэтому ограничивают размеры изделия, которое можно изготовить из материала, полученного в таких аппаратах.

Таким образом, известный материал также не может быть использован качестве конструкционного в ракетно-космической и авиационной отраслях промышленности.

Кроме того, в процессе образовании фуллерита ВТ из фуллерена C 60 происходит существенный скачок объема: плотность исходного фуллерена 1,7 г/см 3 , в то время как плотность фуллерита ВТ 2,1 г/см 3 , что в результате приводит к существенным напряжениям в образце и, как следствие, его растрескиванию. Низкая теплопроводность исходного фуллерена (0,4 Вт/мК) и фуллерита ВТ (около 10 Вт/мК) приводит к большим температурным градиентам при синтезе, что также ведет к растрескиванию образца.

В заявке на изобретение Compozite materials containing a nanostructured carbon binder phase and high pressure process В. Kear, O. Voronov. US 2005/0186104 от 23.03.2004, авторами был предложен композитный материал, состоящий из матричной фазы и связующей фазы . В качестве связующей фазы предложены материалы, полученные из фуллерена при термобарической обработке смеси фуллерена и матричной фазы . В качестве матричной фазы предлагалось использовать разнообразные карбиды, бориды и оксиды, а также алмаз и углеродные волокна. В работе утверждается, что высокопрочные материалы могут быть получены из фуллерена при давлениях ниже 7 ГПа.

Rnrnrn rnrnrn rnrnrn

Однако данное утверждение не является достоверным. Как показали проведенные авторами исследования, высокопрочные (а также высокотвердые, с твердостью выше 10 ГПа) материалы получают из фуллерена C 60 только в аппаратах высокого давления при 7-8 ГПа и нагреве 600-1600°С, что, как отмечено выше, не позволяет получать материал для изделий с размером больше нескольких сантиметров, что исключает применение этого материала в качестве конструкционного в ракетно-космической и авиационной отраслях.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является уже отмеченный выше способ получения сверхтвердого композиционного материала (патент РФ 2491987, 2011 г.). Способ включает воздействие высокого давления и температуры на исходный углеродный компонент, в качестве которого используют алмаз, и связующий компонент, при этом углеродный компонент дополнительно содержит фуллерен и/или наноалмаз, а в качестве связующего компонента используют один или несколько компонентов, выбранных из ряда: сплав кремнистая бронза, сплав монель, твердый сплав.

Однако, при том что известный материал обладает микротвердостью, упругостью и повышенной износостойкостью, он является очень хрупким, а из-за ограниченного объема существующих в настоящее время камер высокого давления не может быть получен с размерами более 1 см.

Таким образом, известные на сегодняшний день технические решения не позволяют получить одновременно прочные, легкие, высокотвердые и жаростойкие композитные конструкционные материалы на основе углерода.

Технической задачей настоящего изобретения является обеспечение возможности получения композитного материала на основе углерода с низкой плотностью, высокой прочностью при поперечном изгибе, высокой твердостью и жаростойкостью и изделий из него с характерным размером 1-100 см. (Термин «характерный размер» в данном случае относится к типичным габаритам изделий, которые можно изготовить из предлагаемого композитного материала.)

Целью настоящего изобретения является создание способа получения высокопрочного, высокотвердого, жаростойкого и легкого композитного материала на основе углерода, пригодного для изготовления изделий из него с характерным размером 1-100 см, которые могут быть использованы одновременно как в ракетно-космической и авиационной отраслях, так и при металлообработке, обработке природного камня, других твердых и сверхтвердых материалов.

С этой целью предложен способ получения композитного материала на основе углерода, включающий воздействие на смесь углеродсодержащего материала и наполнителя давлением и температурой, при этом в смесь добавляют серосодержащее соединение, а воздействие ведут при температуре 600-2000 градусов и давлении 0,1-20 ГПа.

Предпочтительно, что серосодержащее соединение добавляют в количестве от 0,1 до 3 массовых % в пересчете на серу от веса углеродсодержащего материала.

При этом в качестве серосодержащего соединения используют сероуглерод, или соединение из группы меркаптанов, или продукт взаимодействия соединения из группы меркаптанов с элементарной серой.

В качестве углеродсодержащего материала используют молекулярный фуллерен C 60 или фуллеренсодержащую сажу.

Предпочтительно, что в качестве наполнителя используют карбид бора в количестве от 30 до 70 массовых % от веса углеродсодержащего материала.

Предпочтительно, что в качестве наполнителя используют углеродные волокна, или алмаз, или нитриды, или карбиды, или бориды, или оксиды в количестве от 1 до 99 массовых % от веса углеродсодержащего материала.

Предпочтительно, что воздействие ведут при температуре 800-1200 градусов и давлении 0,5-10 ГПа.

К защите предлагается также композитный материал, полученный способом по любому из пунктов 1-8.

Предпочтительно, что композитный материал предназначен для изготовления изделий из него с характерным размером 1-100 см.

Известно, что высокие механические свойства композитных материалов на основе углерода обусловлены образованием химических связей между матричной и связующей фазами.

Однако, как уже отмечалось, в настоящее время получить композиционный материал с хорошими механическими свойствами возможно только в аппаратах высокого давления (при 5-15 ГПа), где в процессе синтеза обеспечивается прочность (обусловленная образованием химических связей) соединения матричной и связующих фаз. При более низких давлениях как прочность матричных фаз, так и прочность соединения матричной и связующих фаз крайне низка, и такой композитный материал не будет иметь сколь-либо существенных значений прочности в условиях растягивающих напряжений (прочность на растяжение или изгиб).

Как показали исследования авторов, оказалось возможным подобрать элементы, которые являются инициаторами образования химических связей как между молекулами C 60 , так и между C 60 и другими компонентами композитного материала и при более низких давлении и температуре. Кроме инициализации реакции полимеризации C 60 - 3D (т.е. трехмерной, когда ковалентные связи, соединяющие молекулы C 60 , образуются во всех направлениях) такое вещество должно быть равномерно распределено по объему исходного материала. Если такой инициализатор будет равномерно распределен по всему фуллерену в композите, то можно ожидать более равномерное протекание процесса формирования композита (сопровождаемое образованием химических связей) и в итоге более равномерное распределение физико-механических свойств в полученном композите. Согласно исследованиям авторов это может быть серосодержащее соединение, выбранное из группы: сероуглерод или соединение из группы меркаптанов, в частности изоамилмеркаптан, или продукт взаимодействия соединения из группы меркаптанов с элементарной серой.

Оказалось, что среди такой группы, сероуглерод CS 2 наиболее полно удовлетворяет указанным требованиям. Сероуглерод CS 2 потенциально обладает обоими отмеченными свойствами. Действительно, он в условиях спекания композитного материала разлагается с выделением элементарной серы (Tonkov EY, High Pressure Phase Transformations Handbook Vol. 1. Amsterdam: OPA; 1992). Благодаря высокому сродству с углеродом атомы серы (после разложения CS 2) будут образовывать с фуллереном ковалентные связи C-S и трансформировать молекулу фуллерена в радикал, который, в свою очередь, инициирует образование связей с окружающими молекулами или другими компонентами материала. К тому же CS 2 является хорошим растворителем молекулярного фуллерена C 60 и, следовательно, легко проникает в молекулярный кристалл исходного C 60 . Таким образом, атомы серы могут быть равномерно распределены по пространству, занимаемому фуллереном. Поскольку такие центры инициализации равномерно распределены по объему, занимаемому фуллереном, то в итоге получается изотропный продукт.

Наполнитель при синтезе композитного материала играет существенную роль. При формировании матрицы из фуллерена C 60 имеется существенный скачок объема: плотность исходного фуллерена 1,7 г/см 3 , в то время как плотность матрицы 2,1 г/см 3 , что в результате приводит к существенным напряжениям в образце и, как следствие, его растрескиванию. Кроме того, низкая теплопроводность исходного фуллерена (0,4 Вт/мК) и полученной из него матрицы (около 10 Вт/мК) приводит к большим температурным градиентам при синтезе, что также ведет к растрескиванию образца. Наполнитель за счет упругой деформации и более высокой теплопроводности нивелирует указанные выше эффекты, что позволяет получать композитный материал без трещин.

Для характеристики структуры полученных образцов использовали известный метод рентгеноструктурного исследования.

Для контроля элементного состава полученных образцов использовали анализ известными методами энерго-дисперсионной и волновой спектроскопии с помощью электронного сканирующего микроскопа.

Для характеристики механических свойств проводили по известным методикам измерения твердости и прочности на изгиб.

Твердость измеряли пирамидой Виккерса или Кнуппа в соответствии с ГОСТ 9450-76.

Измерения предела прочности при поперечном изгибе проводили по схеме трехточечного изгиба в соответствии с ГОСТ 20019-74.

Упругие модули определяли посредством известного ультразвукового метода.

Значения упругих модулей позволяют судить о связях между компонентами композита. Высокие упругие модули свидетельствуют о наличии химической связи между наполнителем и полученным в результате синтеза углеродным материалом.

Плотность образцов измеряли известным методом гидростатического взвешивания.

Итоговым параметром, широко используемый в технике, по которому оценивают перспективу применения полученного материала в ракетно-космической и авиационной отраслях, является отношение прочности к плотности / .

Жаростойкость образца определяли известным методом термогравиметрического анализа.

На Фиг. 1 представлены результаты измерения прочности при поперечном изгибе образца композитного материала, синтезированного из смеси C 60 и B 4 C (в соотношении 50/50 весовых %) в присутствии CS 2 при давлении 2 ГПа и температуре 1000°C. Предел прочности при поперечном изгибе изгиб =570 МПа.

На Фиг. 2 представлены результаты измерения прочности на сжатие образца композитного материала, синтезированного из смеси С 60 и B 4 C (в соотношении 50/50 весовых %) в присутствии CS 2 при давлении 2 ГПа и температуре 1000°C. Предел прочности при сжатии сжатие =2250 МПа.

На Фиг. 3 представлены результаты термогравиметрического анализа образцов, проведенный до 1400°C на воздухе. Нижняя кривая соответствует образцу композитного материала, синтезированного из смеси C 60 и B 4 C (в соотношении 50/50 весовых %) в присутствии CS 2 при давлении 2 ГПа и температуре 1000°C. Верхняя кривая соответствует порошку исходного карбида бора.

Следующие примеры иллюстрируют изобретение, не ограничивая его по существу.

Пример 1. Получение композитного материала в соответствии с изобретением при давлении 0,1 ГПа.

Для этого смесь загружают в камеру высокого давления типа поршень-цилиндр, нагружают до фиксированного давления 0,1 ГПа и нагревают до температуры 1000°С с временем выдержки 100 с. После разгрузки образец исследуют с помощью рентгеновской дифракции, спектроскопии КРС, просвечивающего электронного микроскопа, проводят термогравиметрический анализ и исследуют его механические свойства.

Rnrnrn rnrnrn rnrnrn

Измерения предела прочности при поперечном изгибе, проведенные по схеме трехточечного изгиба (ГОСТ 20019-74), дают значение предела прочности при поперечном изгибе * изгиб =400 МПа.

Плотность измеряют методом гидростатического взвешивания. Плотность образца составляет 2,20 г/см 3 .

Указанный параметр */ =180, т.е. полученный материал превосходит многие материалы, используемые в ракетно-космической и авиационной отраслях.

Пример 2. Получение композитного материала в соответствии с изобретением при давлении 0,5 ГПа.

Порошок карбида бора В 4 С (со средним размером зерен 100 нм) в количестве 1 г смешивают с порошком молекулярного фуллерена С 60 (со средним размером зерен 1 мкм) в количестве 1 г (в весовом соотношении 50/50%) в вибромельнице.

Сероуглерод CS 2 добавляют в полученную смесь С 60 и В 4 С в количестве 0,05 мл CS 2 на 1 г смеси. Затем смесь С 60 , В 4 С и CS 2 растирают в агатовой ступке до получения однородной консистенции и используют для изготовления образцов.

Для этого смесь загружают в камеру высокого давления типа поршень-цилиндр с рабочим диаметром 100 мм, нагружают до фиксированного давления 0,5 ГПа и нагревают до температуры 1000°С с временем выдержки 100 с. Полученный образец имеет диаметр 100 мм. Из образцов такого размера можно изготовить, в частности, теплозащитный экран или турбинную лопатку.

После разгрузки образец исследуют с помощью рентгеновской дифракции, спектроскопии КРС, просвечивающего электронного микроскопа, проводят термогравиметрический анализ и исследуют его механические свойства.

Твердость измеряют пирамидой Виккерса или Кнуппа (ГОСТ 9450-76). Твердость полученного в данном примере материала находится в пределах 10-70 ГПа, и материал является высокотвердым.

Элементный анализ проводят методами энерго-дисперсионной и волновой спектроскопии с помощью электронного сканирующего микроскопа. Проведенный элементный анализ показывает наличие серы в полученном материале менее 0,01%, т.е. сера устраняется из получаемого материала в процессе синтеза.

Измерения предела прочности при поперечном изгибе, проведенные по схеме трехточечного изгиба (ГОСТ 20019-74), дают значение предела прочности при поперечном изгибе * изгиб =500 МПа.

Плотность измеряют методом гидростатического взвешивания. Плотность образца составляет 2,23 г/см 3 .

Указанный параметр */ =220, т.е. полученный материал превосходит многие материалы, используемые в ракетно-космической и авиационной отраслях.

Упругие модули определяют ультразвуковым методом. Средние значения упругих модулей образца составляют: модуль Юнга Е=150 ГПа, модуль объемного сжатия К=110 ГПа, модуль сдвига G=60 ГПа. Высокие упругие модули свидетельствуют о наличии химической связи между карбидом бора и полученным в результате синтеза углеродным материалом.

Термогравиметрический анализ образца, проведенный до 1400°С на воздухе, показал прирост массы около 3%, начиная с температуры 800°С, что связано с окислением карбида бора. В целом образец оказался жаростойким.

Таким образом, композитный материал полученного образца является одновременно прочным, легким, высокотвердым и жаростойким.

Пример 3. Получение композитного материала в соответствии с изобретением при давлении 2 ГПа.

Порошок карбида бора В 4 С (со средним размером зерен 100 нм) в количестве 1 г смешивают с порошком молекулярного С 60 (со средним размером зерен 1 мкм) в количестве 1 г (в весовом соотношении 50/50%) в вибромельнице. Сероуглерод CS 2 добавляют в полученную смесь С 60 и В 4 С в количестве 0,05 мл CS 2 на 1 г смеси. Затем смесь С 60 , В 4 С и CS 2 растирают в агатовой ступке до получения однородной консистенции и используют для изготовления образцов. Для этого смесь загружают в камеру высокого давления типа поршень-цилиндр, нагружают до фиксированного давления 2 ГПа и нагревают до температуры 1000°С с временем выдержки 100 с. После разгрузки образец исследуют с помощью рентгеновской дифракции, спектроскопии КРС, просвечивающего электронного микроскопа, проводят термогравиметрический анализ и исследуют его механические свойства.

Измерения предела прочности при поперечном изгибе, проведенные по схеме трехточечного изгиба (ГОСТ 20019-74), дают значение предела прочности при поперечном изгибе * изгиб =570 МПа (Фиг. 1) и предел прочности на сжатие 2250 МПа (Фиг. 2).

Указанный параметр */ =250.

Упругие модули определяют ультразвуковым методом. Средние значения упругих модулей образца составляют: модуль Юнга Е=190 ГПа, модуль объемного сжатия К=120 ГПа, модуль сдвига G=75 ГПа. Высокие упругие модули свидетельствуют о наличии химической связи между карбидом бора и полученным в результате синтеза углеродным материалом.

Термогравиметрический анализ образца, проведенный до 1400°С на воздухе, показал прирост массы около 3%, начиная с температуры 600°С, что связано с окислением карбида бора (Фиг. 3, нижняя кривая). В целом образец оказался термостойким. Для сравнения на Фиг. 3 приведены данные термогравиметрического анализа для исходного порошка карбида бора, проведенного при тех же условиях. В последнем случае наблюдается прирост массы около 100%, связанный с окислением, несмотря на то что карбид бора относится к жаростойким материалам (Фиг. 3, верхняя кривая). Следовательно, в композитном материале наблюдают существенное повышение жаростойкости относительно исходного В 4 С.

Таким образом, композитный материал полученного образца является одновременно прочным, легким, высокотвердым и жаростойким.

Пример 4. Получение композитного материала при температуре 600-2000°С в соответствии с изобретением.

Изготовляют несколько образцов. Для этого порошок карбида бора В 4 С (со средним размером зерен 100 нм) смешивают с порошком молекулярного С 60 (со средним размером зерен 1 мкм) в весовом соотношении 30/70% и 70/30% в вибромельнице. Суммарный вес смеси в каждом случае составляет 2 г. Сероуглерод CS 2 добавляют в полученную смесь С 60 и В 4 С в количестве 0,05 мл CS 2 на 1 г смеси. Затем смесь С 60 , В 4 С и CS 2 растирают в агатовой ступке до получения однородной консистенции и используют для изготовления образцов. Для этого смесь загружают в камеру высокого давления типа поршень-цилиндр, нагружают до фиксированного давления 1 ГПа и нагревают до фиксированной температуры с фиксированным временем выдержки при указанной температуре. Были получены образцы при температурах 600, 700, 800, 900, 1000, 1100, 1200, 1300, 1400, 1500, 1600 и 2000°С с временами выдержки 0,1, 1, 10, 30, 60, 120 и 180 с. После разгрузки образцы исследуют с помощью рентгеновской дифракции, спектроскопии КРС, просвечивающего электронного микроскопа, проводят термогравиметрический анализ и исследуют его механические свойства.

Твердость измеряют пирамидой Виккерса или Кнуппа (ГОСТ 9450-76). Твердость полученных образцов находится в пределах 10-70 ГПа, и материал является высокотвердым.

Элементный анализ проводят методами энерго-дисперсионной и волновой спектроскопии с помощью электронного сканирующего микроскопа. Проведенный элементный анализ показывает наличие серы в материале менее 0,01%, т.е. сера устраняется из получаемого материала в процессе синтеза.

Измерения предела прочности при поперечном изгибе проводят по схеме трехточечного изгиба (ГОСТ 20019-74). Плотность измеряют методом гидростатического взвешивания. Указанный параметр */ полученных образцов не ниже 200. Образцы стабильны по крайней мере до 1400°С.

Пример 5. Получение композитного материала в соответствии с изобретением, где в качестве углеродсодержащего материала используют фуллеренсодержащую сажу.

Порошок карбида бора В 4 С (со средним размером зерен 100 нм) в количестве 1 г смешивают с порошком фуллеренсодержащей сажи (со средним размером зерен 1 мкм) с содержанием С 60 60% в количестве 1 г (в весовом соотношении 50/50%) в вибромельнице. Сероуглерод CS 2 добавляют в полученную смесь фуллеренсодержащей сажи и В 4 С в количестве 0,05 мл CS 2 на 1 г смеси. Затем смесь фуллеренсодержащей сажи, В 4 С и CS 2 растирают в агатовой ступке до получения однородной консистенции и используют для изготовления образцов. Для этого смесь загружают в камеру высокого давления типа поршень-цилиндр, нагружают до фиксированного давления 1 ГПа и нагревают до температуры 1000°С с временем выдержки 100 с. После разгрузки исследуют его механические свойства образца.

Твердость измеряют пирамидой Виккерса или Кнуппа (ГОСТ 9450-76). Твердость полученного авторами материала находится в пределах 10-70 ГПа, и материал является высокотвердым.

Элементный анализ проводят методами энерго-дисперсионной и волновой спектроскопии с помощью электронного сканирующего микроскопа. Проведенный элементный анализ показывает наличие серы в полученном материале менее 0,01%, т.е. сера устраняется из получаемого материала в процессе синтеза.

Измерения предела прочности при поперечном изгибе проводят по схеме трехточечного изгиба (ГОСТ 20019-74). Плотность измеряют методом гидростатического взвешивания. Указанный параметр */ полученных образцов составляет 100. Образцы стабильны по крайней мере до 1400°С.

Таким образом, композитный материал полученных образцов является одновременно прочным, легким, высокотвердым и жаростойким.

Пример 6. Получение композитного материала в соответствии с изобретением.

Изготовляют несколько образцов, для этого каждый из порошков алмаза, карбида кремния SiC, нитрида алюминия AlN, оксида алюминия Al 2 O 3 , диоксида циркония ZrO 2 в количестве 1 г смешивают с порошком молекулярного С 60 в количестве 1 г (в весовом соотношении 50/50%) в вибромельнице. Сероуглерод CS 2 добавляют в полученную смесь С 60 и каждого из указанных порошков (SiC, AlN, Al 2 O 3 и ZrO 2) в количестве 0,05 мл CS 2 на 1 г смеси. Затем полученную с добавкой CS 2 смесь растирают в агатовой ступке до получения однородной консистенции и используют для изготовления образцов. Для этого каждую из смесей загружают в камеру высокого давления типа поршень-цилиндр, нагружают до фиксированного давления 1 ГПа и нагревают до температуры 1000°С с временем выдержки 100 с. После разгрузки исследуют механические свойства образцов.

Элементный анализ проводят методами энерго-дисперсионной и волновой спектроскопии с помощью электронного сканирующего микроскопа. Проведенный элементный анализ показывает наличие серы в полученном материале менее 0,01%, т.е. сера устраняется из получаемого материала в процессе синтеза.

Таким образом, композитный материал полученных образцов является одновременно прочным, легким, высокотвердым и жаростойким.

Пример 7. Получение композитного материала в соответствии с изобретением, где в качестве углеродсодержащего материала используют углеродные волокна.

Сероуглерод CS 2 добавляют в порошок молекулярного С 60 в количестве 0,05 мл CS 2 на 1 г С 60 . Затем смесь растирают в агатовой ступке до получения однородной консистенции. В полученную смесь добавляют углеродные волокна в весовом соотношении 50% к фуллерену С 60 и тщательно перемешивают шпателем. Затем смесь в количестве 2 г загружают в камеру высокого давления типа поршень-цилиндр, нагружают до фиксированного давления 2 ГПа и нагревают до температуры 1000°С с временем выдержки 100 с. После разгрузки исследуют механические свойства образцов.

Твердость измеряют пирамидой Виккерса или Кнуппа (ГОСТ 9450-76). Твердость полученного материала находится в пределах 10-70 ГПа, и материал является высокотвердым.

Элементный анализ проводят методами энерго-дисперсионной и волновой спектроскопии с помощью электронного сканирующего микроскопа. Проведенный элементный анализ показывает наличие серы в полученном материале менее 0,01%, т.е. сера устраняется из получаемого материала в процессе синтеза.

Измерения предела прочности при поперечном изгибе проводят по схеме трехточечного изгиба (ГОСТ 20019-74). Плотность измеряют методом гидростатического взвешивания. Указанный параметр */ полученных образцов составляет не ниже 100. Образцы стабильны по крайней мере до 1000°С.

Таким образом, композитный материал полученных образцов является одновременно прочным, легким, высокотвердым и жаростойким.

Пример 8. Получение композитного материала в соответствии с изобретением, где в качестве наполнителя используют кубический нитрида бора.

Порошок кубического нитрида бора c-BN (со средним размером зерен около 1 мкм) в количестве 1 г смешивают с порошком молекулярного С 60 (со средним размером зерен 1 мкм) в количестве 1 г (в весовом соотношении 50/50%) в вибромельнице. Сероуглерод CS 2 добавляют в полученную смесь С 60 и c-BN в количестве 0,05 мл CS 2 на 1 г смеси. Затем смесь С 60 , c-BN и CS 2 растирают в агатовой ступке до получения однородной консистенции и используют для изготовления образцов. Для этого смесь загружают в камеру высокого давления типа поршень-цилиндр, нагружают до фиксированного давления 2 ГПа и нагревают до температуры 1000°С с временем выдержки 100 с. После разгрузки образец исследуют с помощью рентгеновской дифракции, спектроскопии КРС, просвечивающего электронного микроскопа и исследуют его механические свойства.

Твердость измеряют пирамидой Виккерса или Кнуппа (ГОСТ 9450-76). Твердость полученного авторами материала находится в пределах 10-70 ГПа, и материал является высокотвердым.

Элементный анализ проводят методами энерго-дисперсионной и волновой спектроскопии с помощью электронного сканирующего микроскопа. Проведенный элементный анализ показывает наличие серы в материале менее 0,01%, т.е. сера устраняется из получаемого материала в процессе синтеза.

Измерения предела прочности при поперечном изгибе, проведенные по схеме трехточечного изгиба (ГОСТ 20019-74), дают значение предела прочности * изгиб =300 МПа.

Плотность измеряют методом гидростатического взвешивания. Плотность образца составляет 2,8 г/см 3 .

Образцы стабильны по крайней мере до 1400°С в защитной атмосфере.

Таким образом, композитный материал полученных образцов является одновременно прочным, легким, высокотвердым и жаростойким.

Пример 9. Получение композитного материала при температурах вне температурного диапазона 600-2000°С.

Изготовляют несколько образцов. Для этого порошок карбида бора В 4 С (со средним размером зерен 100 нм) смешивают с порошком молекулярного С 60 (со средним размером зерен 1 мкм) в весовом соотношении 50/50% в вибромельнице. Суммарный вес смеси в каждом случае составляет 2 г. Сероуглерод CS 2 добавляют в полученную смесь С 60 и В 4 С в количестве 0,05 мл CS 2 на 1 г смеси. Затем смесь С 60 , В 4 С и CS 2 растирают в агатовой ступке до получения однородной консистенции и используют для изготовления образцов. Для этого смесь загружают в камеру высокого давления типа поршень-цилиндр, нагружают до фиксированного давления 2 ГПа и нагревают до фиксированной температуры с фиксированным временем выдержки при указанной температуре. Были получены образцы при температурах 400 и 2400°С с временем выдержки 100 с. После разгрузки образца исследуют его механические свойства.

Пример 10. Получение композитного материала вне диапазона давлений 0,1-20 ГПа.

Порошок карбида бора В 4 С (со средним размером зерен 100 нм) в количестве 1 г смешивают с порошком молекулярного фуллерена С 60 (со средним размером зерен 1 мкм) в количестве 1 г (в весовом соотношении 50/50%) в вибромельнице.

Сероуглерод CS 2 добавляют в полученную смесь С 60 и В 4 С в количестве 0,05 мл CS 2 на 1 г смеси. Затем смесь С 60 , В 4 С и CS 2 растирают в агатовой ступке до получения однородной консистенции и используют для изготовления образцов.

Для этого смесь загружают в камеру высокого давления типа поршень-цилиндр, нагружают до фиксированного давления 0,05 ГПа (получение образцов при давлении выше 20 ГПа представляется технически сложным) и нагревают до температуры 1000°С с временем выдержки 100 с. После разгрузки образца исследуют его механические свойства.

Твердость измеряют пирамидой Виккерса или Кнуппа (ГОСТ 9450-76). Твердость полученных образцов имеет значения ниже 10 ГПа, и материал не является высокотвердым.

Таким образом, композитный материал полученных образцов не является высокотвердым.

Пример 11. Получение композитного материала в соответствии с изобретением с использованием меркаптана или тиола вместо сероуглерода.

Порошок карбида бора В 4 С (со средним размером зерен 100 нм) в количестве 1 г смешивают с порошком молекулярного фуллерена С 60 (со средним размером зерен 1 мкм) в количестве 1 г (в весовом соотношении 50/50%) в вибромельнице.

Изоамилмекаптан C 5 H 11 SH или тиол C 6 H 5 SH добавляют в полученную смесь С 60 и В 4 С в количестве 0,05 мл C 5 H 11 SH или C 6 H 5 SH на 1 г смеси. Затем смесь С 60 , В 4 С и C 5 H 11 SH или C 6 H 5 SH растирают в агатовой ступке до получения однородной консистенции и используют для изготовления образцов.

Для этого смесь загружают в камеру высокого давления типа поршень-цилиндр, нагружают до фиксированного давления 2 ГПа и нагревают до температуры 1000°С с временем выдержки 100 с. После разгрузки образца исследуют его механические свойства.

Твердость измеряют пирамидой Виккерса или Кнуппа (ГОСТ 9450-76). Твердость полученного авторами материала находится в пределах 10-70 ГПа, и материал является высокотвердым.

Измерения предела прочности при поперечном изгибе, проведенные по схеме трехточечного изгиба (ГОСТ 20019-74), дают значение предела прочности при поперечном изгибе * изгиб =530 МПа.

Плотность измеряют методом гидростатического взвешивания. Плотность образца составляет 2,3 г/см 3 .

Указанный параметр */ =230.

Термогравиметрический анализ образца, проведенный до 1400°С на воздухе, показал, что образец оказался термостойким.

Таким образом, композитный материал полученного образца является одновременно прочным, легким, высокотвердым и жаростойким.

Формула изобретения

1. Способ получения композитного материала на основе углерода, включающий воздействие на смесь углеродсодержащего материала и наполнителя давлением и температурой, отличающийся тем, что в смесь добавляют серосодержащее соединение, а воздействие ведут при температуре 600-2000 градусов и давлении 0,1-20 ГПа.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что серосодержащее соединение добавляют в количестве от 0,1 до 3 массовых % в пересчете на серу от веса углеродсодержащего материала.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве серосодержащего соединения используют сероуглерод.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве серосодержащего соединения используют соединение из группы меркаптанов или продукт взаимодействия соединения из группы меркаптанов с элементарной серой.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве углеродсодержащего материала используют молекулярный фуллерен С 60 .

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве углеродсодержащего материала используют фуллеренсодержащую сажу.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве наполнителя используют карбид бора в количестве от 30 до 70 массовых % от веса углеродсодержащего материала.

8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве наполнителя используют углеродные волокна, или алмаз, или нитриды, или карбиды, или бориды, или оксиды в количестве от 1 до 99 массовых % от веса углеродсодержащего материала.

9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что воздействие предпочтительно ведут при температуре 800-1200 градусов и давлении 0,5-10 ГПа.

10. Композитный материал, полученный способом по любому из пп. 1-9.

11. Композитный материал по п. 10, отличающийся тем, что предназначен для изготовления изделий из него с характерным размером 1-100 см.

Имя изобретателя: Бланк Владимир Давыдович (RU), Мордкович Владимир Зальманович (RU), Овсянников Данила Алексеевич (RU), Перфилов Сергей Алексеевич (RU), Поздняков Андрей Анатольевич (RU), Попов Михаил Юрьевич (RU), Прохоров Вячеслав Максимович (RU)
Имя патентообладателя: Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов" (ФГБНУ ТИСНУМ) (RU)
Почтовый адрес для переписки: 125502, Москва, ул. Лавочкина, 50, к. 1, кв. 24, Цетович Н.Л.
Дата начала отсчета действия патента: 29.04.2014

Углерод – углеродными называются КМ, представляющие собой углеродную матрицу, армированную углеродными волокнами или тканями. Близкие физико-химические свойства обеспечивают прочную связь волокон с матрицей и уникальные свойства этим КМ. Механические свойства этих КМ в большей степени зависят от схемы армирования (s в может меняться от 100 до 1000 МПа). Наилучшим расположением армированных волокон считается такое, когда они расположены в трех и более направлениях.

Углерод – углеродные КМ обладают малой плотностью (1,3…2 т/м 3), низкой теплоемкостью, сопротивлением тепловому удару, эрозии и облучению; низкими коэффициентами трения и линейного расширения; высокой коррозионной стойкостью; широким диапазоном электрических свойств; высокой прочностью и жесткостью. Это, несомненно, является достоинствами этих материалов. У углерод – углеродных КМ при повышении температуры увеличивается прочность в 1,5…2 раза и модуль упругости.

К недостаткам относят склонность к окислению при нагреве до температуры выше 500 °С в окислительной среде. В инертной среде и вакууме из углерод – углеродных КМ работают до 3000 °С.

Исходным материалом для матриц служат синтетические органические смолы с высоким коксовым остатком (фенолоформальдегидные, фурановые, эпоксидные и др.). Термореактивные смолы обладают хорошей пропитывающей способностью. Большинство из них отверждается при относительно низких температурах (до 200…250 °С) и содержат 50…56 % кокса. При пиролизе они образуют стекловидный углерод, который не подвержен графитизации до 3000 °С.

К недостаткам пеков относят неоднородный химический состав, способствующий образованию пористости; термопластичность, вызывающая миграцию связующих и деформацию изделия; наличие канцерогенных соединений, требующих дополнительных мер безопасности. Наполнителями углерод – углеродных КМ служат углеграфитовые волокна, жгуты, нити, тканые материалы. Структура и свойства КМ в большей степени зависят от способа их получения. Наибольшее распространение получили следующие два.

Первый способ состоит из пропитки графитовых волокон смолой или пеками, намотки заготовки, ее отверждения и механической обработки на заданный размер, карбонизации при 800…1500 °С в среде инертного газа или нейтральной среде, уплотнения пирометрическим углеродом, графитизации при 2500…3000 °С и нанесения противоокислительных покрытий из карбидов кремния и циркония. Для получения материала высокой плотности цикл пропитка – отверждение – карбонизация многократно повторяют. Всего процесс продолжается около 75 ч. Плотность КМ, полученного этим методом, составляет 1,3…2 т/м 3 .

Второй способ получения углерод – углеродного КМ состоит в осаждении углерода из газовой среды, образующейся при термическом разложении углеводородов (например, метана), на волокнах каркаса заготовки (изделия) и заполнения пор между ними. Метод осаждения из газовой среды более дорог, но обеспечивает более прочное сцепление волокон с матрицей, более высокое содержание углерода в матрице и большую плотность всего КМ. Этот метод позволяет получить КМ с различными свойствами, в том числе и с заданными.