RU2486162C1 - Способ изготовления армирующего каркаса углерод-углеродного композиционного материала - Google Patents
Способ изготовления армирующего каркаса углерод-углеродного композиционного материала Download PDFInfo
- Publication number
- RU2486162C1 RU2486162C1 RU2011144750/02A RU2011144750A RU2486162C1 RU 2486162 C1 RU2486162 C1 RU 2486162C1 RU 2011144750/02 A RU2011144750/02 A RU 2011144750/02A RU 2011144750 A RU2011144750 A RU 2011144750A RU 2486162 C1 RU2486162 C1 RU 2486162C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- carbon
- fiber
- matrix
- composite material
- fulleroid
- Prior art date
Links
- CREMABGTGYGIQB-UHFFFAOYSA-N carbon carbon Chemical compound C.C CREMABGTGYGIQB-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 6
- 239000011203 carbon fibre reinforced carbon Substances 0.000 title claims abstract description 6
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 6
- 230000003014 reinforcing effect Effects 0.000 title claims description 6
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims description 5
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 12
- 239000000725 suspension Substances 0.000 claims abstract description 12
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 11
- 239000002612 dispersion medium Substances 0.000 claims abstract description 9
- 239000012153 distilled water Substances 0.000 claims abstract description 4
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 4
- 239000003849 aromatic solvent Substances 0.000 claims abstract description 3
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical class C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 13
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 claims description 11
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 claims description 11
- 239000002019 doping agent Substances 0.000 claims description 3
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims 2
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 abstract description 18
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 abstract description 9
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 3
- 230000003628 erosive effect Effects 0.000 abstract description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 7
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 7
- 201000000760 cerebral cavernous malformation Diseases 0.000 description 7
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 5
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000003607 modifier Substances 0.000 description 3
- 238000009941 weaving Methods 0.000 description 3
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 2
- 235000019441 ethanol Nutrition 0.000 description 2
- 238000005470 impregnation Methods 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- DCKVFVYPWDKYDN-UHFFFAOYSA-L oxygen(2-);titanium(4+);sulfate Chemical compound [O-2].[Ti+4].[O-]S([O-])(=O)=O DCKVFVYPWDKYDN-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 2
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 2
- 229910000348 titanium sulfate Inorganic materials 0.000 description 2
- XMWRBQBLMFGWIX-UHFFFAOYSA-N C60 fullerene Chemical class C12=C3C(C4=C56)=C7C8=C5C5=C9C%10=C6C6=C4C1=C1C4=C6C6=C%10C%10=C9C9=C%11C5=C8C5=C8C7=C3C3=C7C2=C1C1=C2C4=C6C4=C%10C6=C9C9=C%11C5=C5C8=C3C3=C7C1=C1C2=C4C6=C2C9=C5C3=C12 XMWRBQBLMFGWIX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000002679 ablation Methods 0.000 description 1
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 1
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 1
- 239000007900 aqueous suspension Substances 0.000 description 1
- 150000004945 aromatic hydrocarbons Chemical class 0.000 description 1
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 1
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 1
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 description 1
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 1
- 238000007598 dipping method Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 239000000945 filler Substances 0.000 description 1
- SLGWESQGEUXWJQ-UHFFFAOYSA-N formaldehyde;phenol Chemical compound O=C.OC1=CC=CC=C1 SLGWESQGEUXWJQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910003472 fullerene Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 239000002609 medium Substances 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 239000012454 non-polar solvent Substances 0.000 description 1
- 229920001568 phenolic resin Polymers 0.000 description 1
- 239000002798 polar solvent Substances 0.000 description 1
- 229920005989 resin Polymers 0.000 description 1
- 239000011347 resin Substances 0.000 description 1
- 238000007614 solvation Methods 0.000 description 1
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 1
- 238000010561 standard procedure Methods 0.000 description 1
- 238000009210 therapy by ultrasound Methods 0.000 description 1
Landscapes
- Chemical Or Physical Treatment Of Fibers (AREA)
Abstract
Изобретение относится к технологии создания эрозионностойких углерод-углеродных композиционных материалов (УУКМ) и может быть использовано для изготовления элементов защиты поверхностей гиперзвуковых спускаемых аппаратов. Сформированную из углеродного волокна объемную структуру пропитывают суспензией фуллероидного наномодификатора, содержание которого составляет 0,01-1,0 мас.ч. на 100 мас.ч. дисперсионной среды, в качестве которой используют дистиллированную воду или органические неароматические растворители. Техническим результатом является увеличение адгезионной прочности между волокном и матрицей УУКМ до 30%. 1 табл.
Description
Предлагаемое изобретение относится к технологии создания эрозионностойких углерод-углеродных композиционных материалов (УУКМ) и может быть использовано для изготовления элементов защиты поверхностей гиперзвуковых спускаемых аппаратов (ГСА).
УУКМ имеют гетерофазную структуру, состоящую из армирующего каркаса на основе углеродных волокнистых наполнителей и углеродной матрицы.
В настоящее время известен способ изготовления армирующего каркаса УУКМ, основанный на плетении или ткачестве трехмерных структур углеродным волокном (Щурик А.Г. Искусственные углеродные материалы. / Пермь, 2009, с.180-184).
В УУКМ, изготовленном на основе такого каркаса, в результате разности значений коэффициентов линейного термического расширения (КЛТР) материалов матрицы и каркаса (КЛТР углеродного волокна в поперечном направлении αf=(18÷23)·10-6 °C-1, КЛТР материала матрицы αc=(3,7÷5,4)·10-6 °C-1) на границе раздела фаз «матрица-волокно» появляются внутренние напряжения. Прочность адгезии волокна к матрице не компенсирует данные напряжения, в результате чего на границе «матрица-волокно» появляются микротрещины, ухудшающие структурно-чувствительные характеристики УУКМ: разброс плотности, шероховатость, скорость уноса при аэродинамическом потоке.
Наиболее близким по технической сущности и технологии реализации, принятым в качестве прототипа, является способ изготовления каркаса, приведенный в описании к патенту «Углерод-углеродный композиционный материал» №2034780 с приоритетом от 01.07.1992 г.
В данном способе сформированную плетением углеродным волокном объемную структуру пропитывают водным раствором сульфата титана, а затем сушат. Таким образом в плетеную углеволокнистую структуру вводят легирующую добавку-титан. Эта добавка обеспечивает повышение прочности и теплопроводности готового УУКМ.
Недостатки прототипа:
1. Повышение теплопроводности УУКМ приводит к увеличению скорости прогрева корпуса ГСА, что, в свою очередь, увеличивает вероятность разрушения аппарата;
2. Введение титана в структуру УУКМ не обеспечивает повышения адгезионной прочности между волокном и матрицей. Поэтому напряжения, возникающие на границе «матрица-волокно», не позволяют в полной мере реализовать потенциальные характеристики эрозионной стойкости УУКМ.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение адгезионной прочности между волокном армирующего каркаса и материалом матрицы УУКМ.
Поставленная задача решается тем, что сформированную из углеродного волокна объемную структуру пропитывают суспензией углеродного фуллероидного наномодификатора, содержание которого составляет 0,01-4,0 мас.ч. на 100 мас.ч. дисперсионной среды, в качестве которой используют дистиллированную воду или органические неароматические растворители.
Применение фуллероидных наночастиц для повышения адгезионной прочности системы «матрица-волокно» обусловлено их высоким химическим сродством к углероду и способностью модифицировать поверхность фаз. Кроме того, введение углеродных фуллероидов в структуру УУКМ не изменяет элементный состав материала, а следовательно, и его теплопроводность.
Нижний предел концентрации фуллероидного наномодификатора в суспензии - это минимальное содержание наночастиц, при котором наблюдается повышение адгезионной прочности в системе «матрица-волокно», верхний - это концентрация наночастиц, выше которой не наблюдается изменений в значениях адгезионной прочности.
В качестве модели объемной углеволокнистой структуры использовалось углеродное волокно марки УКН-5000 (ТУ 1916-169-05763346-96).
Для пропитки углеродного волокна были приготовлены суспензии углеродного фуллероидного наномодификатора (ТУ 2166-001-13800624-2003) в следующих дисперсионных средах:
- дистиллированная вода;
- полярный растворитель этиловый спирт (ГОСТ Р51652);
- неполярный растворитель уайт-спирит (ГОСТ 3134).
Суспензии готовили в следующем порядке:
1. Механическое перемешивание углеродных фуллероидных наночастиц в дисперсионных средах;
2. Ультразвуковая обработка смесей с использованием ультразвукового диспергатора УЗГ-01.20 частотой 20 кГц в течение 15÷20 минут.
В связи с тем, что фуллерены растворяются в ароматических углеводородах и при этом происходит сольватация наночастиц и блокирование их поверхностной энергии, данные растворители не применялись для пропитки волокна.
Отрезки углеродного волокна пропитывались окунанием с выдержкой в течение двух часов в суспензиях фуллероидного модификатора различной концентрации при комнатной температуре. Далее волокна, пропитанные водной суспензией, сушили в течение 5 часов при температуре 90÷100°C, пропитанные органической суспезией - при комнатной температуре в вакууме в течение 5 часов.
Вышеописанные операции были проведены также с использованием 1%-ного водного раствора сульфата титана (по прототипу).
Пропитанные волокна в вертикальном положении размещали в емкости с фенолформальдегидным связующим ЛБС-4 (ГОСТ 901), проводили отверждение смолы и карбонизацию в инертной среде при температуре 900÷1000°C.
Определение адгезионной прочности в системе «матрица-волокно» проводили по стандартной методике вырыва волокна из углеродной матрицы.
Примеры использованных суспензий для пропитки углеродного волокна и результаты испытаний на определение адгезионной прочности между углеродным волокном и углеродной матрицей приведены в таблице 1.
Результаты экспериментов показывают, что применение суспензий углеродного фуллероидного модификатора для пропитки волокна армирующего каркаса увеличивает адгезионную прочность между волокном и матрицей УУКМ от 15% до 30%.
| Таблица 1 | ||||||||||
| Примеры использованных суспензий | ||||||||||
| Наименование параметров суспензии и характеристик УУКМ | Номера примеров | |||||||||
| Дисперсионная среда - вода | Дисперсионная среда - уайт-спирит | Дисперсионная среда - этиловый спирт | Прототип | |||||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | ||
| Содержание фуллероидного модификатора, мас.ч. на 100 мас.ч. дисперсионной среды. | 0,01 | 0,1 | 1,0 | 0,01 | 1,0 | 1,0 | 0,01 | 0,1 | 1,0 | - |
| Адгезионная прочность системы «матрица-волокно», МПа | 25,8 | 26,3 | 27,5 | 26,3 | 27,0 | 27,6 | 24,3 | 25,7 | 27,0 | 21,0 |
Claims (1)
- Способ изготовления армирующего каркаса углерод-углеродного композиционного материала, включающий формирование из углеродного волокна объемной структуры, пропитку ее жидкостью, содержащей легирующую добавку, и сушку, отличающийся тем, что в качестве жидкости, содержащей легирующую добавку, используют суспензию углеродного фуллероидного наномодификатора, содержание которого составляет 0,01-1,0 мас.ч. на 100 мас.ч. дисперсионной среды, в качестве которой используют дистиллированную воду или органический неароматический растворитель.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011144750/02A RU2486162C1 (ru) | 2011-11-03 | 2011-11-03 | Способ изготовления армирующего каркаса углерод-углеродного композиционного материала |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011144750/02A RU2486162C1 (ru) | 2011-11-03 | 2011-11-03 | Способ изготовления армирующего каркаса углерод-углеродного композиционного материала |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2011144750A RU2011144750A (ru) | 2013-05-10 |
| RU2486162C1 true RU2486162C1 (ru) | 2013-06-27 |
Family
ID=48702191
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2011144750/02A RU2486162C1 (ru) | 2011-11-03 | 2011-11-03 | Способ изготовления армирующего каркаса углерод-углеродного композиционного материала |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2486162C1 (ru) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0402915B1 (en) * | 1989-06-16 | 1995-01-18 | Akebono Brake Industry Co., Ltd. | Hybrid carbon/carbon composite material |
| RU2034780C1 (ru) * | 1992-07-01 | 1995-05-10 | Научно-исследовательский институт электрофизической аппаратуры им.Д.В.Ефремова | Углерод-углеродный композиционный материал |
| RU2179161C1 (ru) * | 2000-09-14 | 2002-02-10 | Богачев Евгений Акимович | Способ получения композиционного материала |
| RU2386603C2 (ru) * | 2007-10-24 | 2010-04-20 | ОАО "Пермский научно-исследовательский технологический институт" | Теплозащитный эрозионно стойкий углерод-углеродный композиционный материал и способ его получения |
-
2011
- 2011-11-03 RU RU2011144750/02A patent/RU2486162C1/ru active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0402915B1 (en) * | 1989-06-16 | 1995-01-18 | Akebono Brake Industry Co., Ltd. | Hybrid carbon/carbon composite material |
| RU2034780C1 (ru) * | 1992-07-01 | 1995-05-10 | Научно-исследовательский институт электрофизической аппаратуры им.Д.В.Ефремова | Углерод-углеродный композиционный материал |
| RU2179161C1 (ru) * | 2000-09-14 | 2002-02-10 | Богачев Евгений Акимович | Способ получения композиционного материала |
| RU2386603C2 (ru) * | 2007-10-24 | 2010-04-20 | ОАО "Пермский научно-исследовательский технологический институт" | Теплозащитный эрозионно стойкий углерод-углеродный композиционный материал и способ его получения |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| ТАРНОПОЛЬСКИЙ Ю.М. и др. Пространственно-армированные композиционные материалы. - М.: Машиностроение, 1987, с.174-176. * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2011144750A (ru) | 2013-05-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Chen et al. | Rapid processing of whole bamboo with exposed, aligned nanofibrils toward a high-performance structural material | |
| Cheng et al. | Preparation, mechanical, thermal and ablative properties of lightweight needled carbon fibre felt/phenolic resin aerogel composite with a bird's nest structure | |
| US11554962B2 (en) | Method for producing silica aerogel blanket and apparatus for producing same | |
| KR102701498B1 (ko) | 에어로겔 블랑켓 및 이의 제조방법 | |
| Farrell et al. | 3D-printing of ceramic aerogels by spatial photopolymerization | |
| CN109336545B (zh) | 一种二氧化硅气凝胶复合材料、其制备方法及应用 | |
| US5665464A (en) | Carbon fiber-reinforced carbon composite material and process for the preparation thereof | |
| Seraji et al. | Thermal ablation‐insulation performance, microstructural, and mechanical properties of carbon aerogel based lightweight heat shielding composites | |
| Zhuo et al. | Flame retardancy effects of graphene nanoplatelet/carbon nanotube hybrid membranes on carbon fiber reinforced epoxy composites | |
| KR102581268B1 (ko) | 에어로겔 블랭킷 제조방법 | |
| Jin et al. | Synergistic reinforcement and multiscaled design of lightweight heat protection and insulation integrated composite with outstanding high-temperature resistance up to 2500° C | |
| KR102623027B1 (ko) | 에어로겔 블랭킷 | |
| US8585864B2 (en) | Fire and smoke retardant composite materials | |
| Wang et al. | Thermal-insulation and ablation-resistance of Ti-Si binary modified carbon/phenolic nanocomposites for high-temperature thermal protection | |
| KR101439174B1 (ko) | 충격흡수능이 향상된 탄소섬유 직물 복합체 및 이의 제조방법 | |
| RU2486162C1 (ru) | Способ изготовления армирующего каркаса углерод-углеродного композиционного материала | |
| CN109626954B (zh) | 一种耐温防潮型二氧化硅气凝胶复合材料及其制备方法和应用 | |
| JP7385927B2 (ja) | シリカ繊維を組み込んだ組成物 | |
| RU2743566C1 (ru) | Способ повышения прочности на разрыв волокнистых композитов с помощью предварительной модификации углеволокон углеродными нанотрубками и молекулами, содержащими аминогруппы | |
| RU2655805C1 (ru) | Эпоксидное связующее, препрег на его основе и изделие, выполненное из него | |
| Zhang et al. | Thermal control materials of carbon/SiO 2 composites with a honeycomb structure | |
| JP2013202803A (ja) | 炭素繊維強化複合材料 | |
| WO2015016072A1 (ja) | セラミック複合材料及びセラミック複合材料の製造方法 | |
| RU2434029C1 (ru) | Композиционный полимерный материал | |
| RU2808804C1 (ru) | Композиционный материал из углеткани и фосфатного связующего и способ его получения |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PD4A | Correction of name of patent owner |