EE05859B1 - Süsinikkiududega tugevdatud fiiberalumiiniumi valmistamismeetod ja selle meetodiga saadud fiiberalumiinium, mis sisaldab kuni 40 massiprotsenti süsinikkiudu - Google Patents

Abstract

Leiutis käsitleb süsinikkiududega tugevdatud alumiiniumkomposiitmaterjali ja selle valmistamise meetodit. Meetod seisneb süsinikkiudude kokkusegamises sulaalumiiniumiga kasutades mikserit, kusjuures enne süsinikkiudude lisamist sulaalumiiniumile eemaldatakse õhukindlast tootmisruumist õhuhapnik küttegaasi ja hapniku segu põletamise teel. Valmis fiiberalumiinium sisaldab 0,1 kuni 40 massiprotsenti süsinikkiudu ja 60 kuni 99,9 massiprotsenti alumiiniumi, süsinikkiudude orientatsioon ja asetus alumiiniummaatriksis on juhuslikud.

Description

 Tehnika valdkond

Leiutis kuulub alumiiniumkomposiitmaterjalide tootmise valdkonda. Kaalu langetamine ja kütusekulu vähendamine transpordis on esmatähtis, selleks on ideaalsed süsinikkiududega tugevdatud alumiiniumkomposiitmaterjalid, mis on suurepäraste füüsikaliste ja mehaaniliste omaduste ning kerge kaaluga. Transpordiliikide hulka kuuluvad lennutransport, maapealne transport (raudteel ja maanteel) ning kosmosetransport. Süsinikkiududega tugevdatud alumiiniumkomposiitmaterjalide masstootmiseks on vajalik valmistamine automatiseerida. Probleem on süsinikkiudude süttimine sulaalumiiniumiga liitmisel loomulikus atmosfäärilises õhuhapnikus. Vaakumkambrites valmistamine on probleemi üldiselt lahendanud.

Tehnika tase

Patenditaotluses DE2164568B2 kirjeldatakse fliberalumiiniumi vaakumkambris valmistamise meetodit, kus ühest otsast suletud alumiiniumoksiidist toru diameetriga 2 cm sukeldatakse lahtise otsaga vaakumkambris olevasse sulaalumiiniumi. Torus asetsevad süsinikkiud paralleelselt, üksteisest eraldatult. Toru täitmiseks ja süsinikkiudude liitmiseks maatriksiga vaakumis survestatakse vaakumkamber argoongaasiga, rõhuga 1 atmosfäär. Valmistamise automatiseerimine on probleem, sest vaakum ja rõhk rikuvad laagrite tihendid (agregaadid, mootorid), mis viib määrdeomaduste kadumiseni ja ning seadmete riketeni.

Patenditaotluses CN1124308 kirjeldatud leiutise probleem on süsinikkiudude süttimine sulaalumiiniumiga liitmisel loomulikus atmosfäärilises õhuhapnikus. Lahenduseks tuleb katta süsinikkiudniit ränikarbiidiga. Fiiberalumiiniumi valmistamiseks tuleb süsinikkiud hakkida kindlasse mõõtu. Hakkimise käigus ränikarbiidikiht kahjustub ning õhuhapnikus maatriksiga liitmisel süsinikkiud süttivad.

CN104264083А toodud valmistamismeetodis liidetakse eeltöödeldud süsinikkiud, mis on hakitud 2-3 millimeetri suurusteks tükkideks, alumiinium-liitiumi pulbrile mahuosana 1-10%. Jahvatamiseks ja pulbri valmistamiseks on planetaarkuulveski ning paagutamiseks vaakumkuumpress.

KR101740883B1 teostuse näide 1, grafiidist tiigel ja süsinikkiudude lisamise seade on paigaldatud vaakumkambrisse. Alumiiniumi sulatamiseks 720 kraadini on elektriga töötav ahi. Kambri vaakumisse pumpamise järel survestatakse vaakumkamber argoongaasiga 2 liitrit minutis atmosfäärilise Õhuhapniku eemaldamiseks. Valmistamiseks on vajalik läbida sama protseduuri kolm või enam korda, et süsinikkiud ei süttiks.

Leiutise olemus

Selle leiutise eesmärk on alandada süsinikkiududega tugevdatud alumiiniumkomposiitmaterjali tootmishindaja laiendada kasutusala lennundusse ja autotööstusesse. Lisaks on leiutise eesmärk lahendada süsinikkiududega tugevdatud alumiiniumkomposiitmaterjali valmistamise automatiseermisega kaasnevad probleemid. Süsinikkiudude suurim puudus on süttimine loomulikus atmosfäärilisesõhuhapnikus sulaalumiiniumiga liitmisel. Lahenduseks on välja pakkuda fiiberalumiiniumi valmistamismeetod, kus süsinikkiudude süttimist põhjustav atmosfääriline õhuhapnik eemaldatakse tootmisruumist põletades gaasisegu, mis koosneb gaasist ja hapnikust. Pulbritest valmistatud süsinikkiududega tugevdatud alumiiniumkomposiitmaterjalid on autotööstuse jaoks liiga kallid ning sobivad kosmoserakenduste kergete komponentide tootmiseks, kus kulu pole piirav tegur. Valmistamiseks kasutatakse tehniliselt keerulisi seadmeid, mis on kallid. Fiiberalumiiniumi valmistamiseks vajalikud seadmed on gaasipõleti metallisulatusanuma kuumutamiseks ja atmosfäärilise õhuhapniku eemaldamiseks tootmisruumist ning mikser süsinikkiudude kombineerimiseks maatriksiga. Alumiiniumi hind toormaterjalina on kordades odavam kui alumiinium-liitiumi pulber ning seadmete karakteristikud ja konstruktsioon on algelisemad, eespool mainitud info põhjal on fiiberalumiiniumi valmistamise meetodit odavam ja lihtsam automatiseerida.

Tööstusrobotite turg on viimastel aastatel hoogsalt kasvanud, autotööstus on siiamaani suurim lõppkasutaja, kuid alumiiniumkomposiitmaterjalid pole arenenud samasuguses tempos. Fiiberalumiinium sobib suurepärast kaalu ja tugevuse suhet vajavate tööstusrobotite liigeste, õlavarte, küünarvarte ja teiste komponentide valmistamiseks. Fiiberalumiiniumist saab valmistada terve lennuki kandva konstruktsiooni telikud, tiivaklapid, aileronid ja tiibade sees olevad ribid. Helikopteriehituses saab toota kere raamistiku ja mootori, rootori, käigukasti kandmiku ning teliku. Fiiberalumiinium sobib vastupidavamat hõõrdepindade kvaliteeti vajavate suure jõudlusega mootoriplokkide, kepsude ja jõuülekande korpuste valmistamiseks. Tänapäevaks on tootmisele seatud ranged keskkonnanõuded, sellepärast on gaasid paljudes tööstussektorites kasutusel kui keskkonnasäästlikud energiaallikad. Meetodi põlemisreaktsiooni kütuseks saab kasutada puhtal kujul gaase: butaan, propaan, metaan, atsetüleen, etüleen ja propüleen. Maagaasi ja biogaasi põhiline komponent on metaan (tihedus 25 °C juures 0,656 kg/m3), mille põlemisel tekib vähem kasvuhoonegaase ja see on hinnalt odavaim. Vedelgaasil (koosneb butaanist 2,48 kg/m3, propaanist 1,858 kg/m3) on kõrgem kalorsus ja põlemistemperatuur kui maagaasil. Vesinik (tihedus 0,0899 kg/m3) ja hapnik (tihedus 1,326 kg/m3) on kohapealse lahendusega toodetavad generaatoritega, täitejaamast on transporditavad mahutites või balloonides. Propaani ja hapniku gaasisegu põlemistemperatuur 2850 °C on süsinikkiudude karboniseerimisel inertgaasi keskkonna kuumutamiseks ja süsinikusisalduse suurendamiseks. Grafitiseerimisprotsessile järgneb süsinikiudude polümeerkatte pealekandmise tootmistsükkel, mis tagab plastkomposiitmateijalidel parema nakke kiudude ja vaigu vahel. Komposiitjäätmetest süsinikkiu taaskasutamiseks kõige tavalisem ringlussevõtuprotsess on pürolüüs, kus kõrge kuumus põletab vaigu ja eemaldab kiududelt polümeeri kihi. Fiiberalumiiniumi valmistamise meetodiga saab kasutada taaskasutamiseks mõeldud ümbertöödeldud hakitud süsinikkiudu, mis on toormaterjalina odavaim ja mille karboniseerimise protsess on läbi viidud temperatuuride vahemikus 1300 °C kuni 2800 °C. Fiiberalumiiniumi valmistamise meetodi automatiseerimisega probleeme ei teki, sest tootmine leiab aset põlemisgaasi keskkonnas, millest on hapnik eemaldatud, põletades gaasisegu mis koosneb gaasidest ja hapnikust. Tootmisruumis puudub vaakumi ja rõhu vaheldumine, seadmetele on talutav temperatuur, mis ei riku seadmete (agregaadid, mootorid) laagrite tihendeid.

Fiiberalumiiniumi valmistamiseks tuleb süsinikkiud hakkida kindlasse mõõtu. Hakkimise käigus ränikarbiidikiht kahjustub ning õhuhapnikus maatriksiga liitmisel süsinikkiud süttivad. Nende alumiiniumkomposiitmaterjalide, mille koostises on ränikarbiidiga kaetud süsinikkiud, töötlemine on raskendatud, sest tööriistad kuluvad tavapärasest kiiremini (tööriistade terad koosnevad karbiididest). Tehnoloogilisi lahendusi ei pea liialt muutma, kaalu vähendamiseks piisab tooriku töötlemisest, saab kasutada olemasolevaid valuvorme. Kambri vaakumisse pumpamise järel survestatakse vaakumkamber argoongaasiga 2 liitrit minutis atmosfäärilise õhuhapniku eemaldamiseks. Valmistamiseks on vajalik läbida sama protseduuri kolm enam või korda, et süsinikkiud ei süttiks.

Hapnikuanduriga saab kontrollida mitu korda on vaja läbida õhuhapniku eemaldamise protseduuri vaakumkambris, eespool mainitud valmistamise meetodis hapnikuandurit ei kasutata. Argoongaas ja suured vaakumkambrid on kallid. Fiiberalumiiniumi valmistamiseks peab tootmisruum olema õhutihe, gaasipõleti on atmosfäärilise õhuhapniku eemaldamiseks ja tahkise sulatamiseks mis on paigutatud metallisulatusanumasse, süsinikkiudude liitmiseks maatriksiga temperatuuride vahemikul 680 °C kuni 1000 °C kasutatakse mikserit. Valmistamise protsessi käigus on õhuhapniku konsentratsiooni mõõtmiseks tootmisruumis hapnikuandur. Maatriksi temperatuuri mõõtmiseks on kõrgeid temperatuure mõõtev termomeeter, mis on paigaldatud metallisulatusanuma külge.

Leiutise tulemus on süsinikkiududega tugevdatud fiiberalumiinium, süsinikkiudude läbimõõt on 4 μm kuni 16 μm, süsinikkiudude orientatsioonid ja paigutused maatriksis on juhuslikud. Kompositsioon sisaldab 0,1% kuni 40 massiprotsenti süsinikkiudusid ja 60% kuni 99,9 massiprotsenti alumiiniumi. Fiiberalumiiniumi tootmisjäägid on valmistamismeetodiga taaskasutatavad, valmis produktiks. Süsinikkiududel ja alumiiniumil on erinev erikaal, fiiberalumiiniumi erikaal oleneb kompositsiooni protsentuaalsest koostisest. Eri komponentide valmistamisel süsinikkiudude pikkused ja diameetrit varieeruvad.

Teostuse näide

Süsinikkiududega tugevdatud alumiiniumkomposiitmaterjali valmistamiseks on gaasipõleti ja metallisulatusanum (maht 1000 dm3), mille kohale on asetatud mikser (ruutjas, 70 cm x 80 cm). Enne valmistamise protsessi algust peab valuvormid paigutama õhukindlasse tootmisruumi, mis on maa atmosfäärist eraldatud. Metallist valuvormid tuleks katta õhukese savikihiga, et fiiber ei nakkuks vormide seinte külge.

Fiiberalumiiniumi valmistamiseks kasutatakse taaskasutamiseks mõeldud ümbertöödeldud hakitud süsinikkiudu, mis on puhtaks pestud vedelikega. Hapnikuandur on õhuhapniku konsentratsiooni analüüsimiseks tootmisruumis, metallisulatusanuma temperatuuri mõõtmiseks on termomeeter (skaala 300 °C kuni 1400 °C). Koostisosad on süsinikkiud 15 massiprotsenti (309,7 kg, erikaal ca 2000 kg/m3) ja alumiinium 85 massiprotsenti (1754,97 kg, erikaal ca 2700 kg/m3). Süsinikkiudude pikkus on ca 100 mm ja diameetrid ca 7 μm. Metallisulatusanumasse peab olema sisestatud toormaterjaliks olev alumiinium enne gaasipõleti tööle rakendamist. Põletatakse gaasisegu mis, koosneb maagaasist ja hapnikust ja mis eemaldab tootmisruumis oleva õhuhapniku ja kuumutab metallisulatusanumat alumiiniumi sulatamiseks. Tegemist on täieliku põlemisreaktsiooniga, jääkproduktid on süsihappegaas, veeaur ja kuumus. Süsinikkiudude kombineerimiseks maatriksiga on 35 p/min töötav mikser, 15 massiprotsendilise fiiberalumiiniumi valmistamiseks on kõrgeid temperatuure mõõtva termomeetri anduri väljund (850 °C), mis on paigaldatud metallisulatusanuma külge. Kiulisamisseadeldisega (tootlikkus 1,2 kg/min) sisestatakse 309,71 kg süsinikkiude maatriksisse, mis kaalub 1754,97 kg, et valmistada 15 massiprotsendiline fiiberalumiinium (2064,68 kg, erikaal 2565 kg/m3). Peale metallvormidesse valamist peab laskma valuvormidel taheneda alla sulamistemperatuuri (300 °C, mõõdetav püromeetriga) ning siis võib avada tootmisruumi uksed kiiremaks jahutamiseks.

Claims (3)

1. 1. Süsinikkiududega tugevdatud fiiberalumiiniumi valmistamismeetod, milles süsinikkiud liidetakse sulaalumiiniumiga Õhukindlas tootmisruumis, meetod erineb selle poolest, et enne süsinikkiudude lisamist metallisulatusanumas sulaalumiiniumile eemaldatakse tootmisruumist hapniku ja küttegaasi segu põletamisega atmosfääriline õhuhapnik.
2. 2. Süsinikkiududega tugevdatud fiiberalumiiniumi valmistamismeetod vastavalt nõudluspunktile 1 , mis erineb selle poolest, et fiiberalumiiniumi valmistatakse temperatuuride vahemikus 680 °C kuni 1000 °C, süsinikkiu ja sulaalumiiniumi segamiseks metallisulatusanumas kasutatakse mikserit.
3. 3. Nõudluspunkti 1 kohase meetodiga valmistatud fiiberalumiinium, mis erineb selle poolest, et süsinikkiudude sisaldus fiiberalumiiniumis on 0,1 kuni 40 massiprotsenti ja alumiiniumi sisaldus fiiberalumiiniumis on 60 kuni 99,9 massiprotsenti.