Углерод – углеродные композиционные материалы

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/м³), 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/м³.

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.

Практическое применение композиционных материалов.

Новые разработки.

Алмазный композиционный термостойкий материал.

Производится композит повышенной прочности для использования в долотах (бурение глубоких скважин на нефть и газ), в коронках (геологоразведочное бурение), карандашах, гребенках и резцах (правка корундовых шлифовальных кругов), в выглаживателях (обработка закаленных сталей, волокон для волочения стальной, медной и др. проволоки), наконечниках (датчики контроля размеров деталей).

Суть разработки состоит в том, что для широко применяемых композиционных поликристаллических материалов на основе алмаза и карбида кремния (сформированных при пропитке кремнием алмазного порошка в условиях высоких давлений и температур) введение в пропитывающий слой нанопорошка алмаза существенно повышает прочность композита, а также выход годных изделий.

Добавка нанопорошка алмаза в пропитывающий Si-слой при получении композита способствует формированию однородной высокодисперсной связующей фазы SiC при почти полном отсутствии в ней несвязанного кремния.

Выпускается материал двух марок: повышенной прочности и повышенной износостойкости.