RU2744923C1 - Method for producing carbon-carbon composite material on pitch matrices - Google Patents
Method for producing carbon-carbon composite material on pitch matrices Download PDFInfo
- Publication number
- RU2744923C1 RU2744923C1 RU2020126311A RU2020126311A RU2744923C1 RU 2744923 C1 RU2744923 C1 RU 2744923C1 RU 2020126311 A RU2020126311 A RU 2020126311A RU 2020126311 A RU2020126311 A RU 2020126311A RU 2744923 C1 RU2744923 C1 RU 2744923C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- temperature
- pitch
- carbon
- workpieces
- range
- Prior art date
Links
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
- C01B32/05—Preparation or purification of carbon not covered by groups C01B32/15, C01B32/20, C01B32/25, C01B32/30
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/515—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics
- C04B35/52—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on carbon, e.g. graphite
- C04B35/528—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on carbon, e.g. graphite obtained from carbonaceous particles with or without other non-organic components
- C04B35/532—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on carbon, e.g. graphite obtained from carbonaceous particles with or without other non-organic components containing a carbonisable binder
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/64—Burning or sintering processes
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/71—Ceramic products containing macroscopic reinforcing agents
- C04B35/78—Ceramic products containing macroscopic reinforcing agents containing non-metallic materials
- C04B35/80—Fibres, filaments, whiskers, platelets, or the like
- C04B35/83—Carbon fibres in a carbon matrix
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Structural Engineering (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Composite Materials (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Ceramic Products (AREA)
Abstract
Description
Область техникиTechnology area
Изобретение относится к области машиностроения, в частности к получению углеродных-углеродных композиционных материалов (УУКМ), которые могут быть использованы, например, для комплектации тяжело нагруженных узлов трения в условиях высокого энергетического нагружения и окислительной среды. The invention relates to the field of mechanical engineering, in particular to the production of carbon-carbon composite materials (CCCM), which can be used, for example, for assembling heavily loaded friction units under conditions of high energy loading and an oxidizing environment.
Известны различные способы получения углерод-углеродных композиционных материалов. Так, например, известен способ получения фрикционного композиционного углерод-углеродного материала, армированного углеродным волокном, посредством пропитки пеком волокнистого каркаса с дальнейшей карбонизацией заготовки под давлением (патент RU 2510387 C1, Россия, опубл. 2014 г.). Недостатком данного способа является наличие дополнительной стадии графитации углеродного волокна, которая является дорогостоящей и трудоемкой и связана с экологической опасностью для персонала и окружающей среды. Various methods are known for producing carbon-carbon composite materials. So, for example, there is a known method of producing a friction composite carbon-carbon material reinforced with carbon fiber by impregnating a fibrous frame with pitch with further carbonization of the workpiece under pressure (patent RU 2510387 C1, Russia, publ. 2014). The disadvantage of this method is the presence of an additional stage of carbon fiber graphitization, which is expensive and laborious and associated with environmental hazards for personnel and the environment.
Наиболее близким прототипом заявляемому является способ изготовления УУКМ, включающий в себя изготовление заготовки на основе карбонизованных волокон и пековых связующих, ее карбонизацию в инертной среде и уплотнение исходной композиции углеродом из паровой фазы до требуемой плотности материала (патент US 20170190629 A1, США, опубл. 2017 г.). Однако указанный способ многократно увеличивает цикл производства, который определяет высокую себестоимость изделий.The closest prototype to the claimed one is a method for manufacturing CCCM, which includes the manufacture of a blank based on carbonized fibers and pitch binders, its carbonization in an inert atmosphere and compaction of the original composition with carbon from the vapor phase to the required material density (patent US 20170190629 A1, USA, publ. 2017 g.). However, this method multiplies the production cycle, which determines the high cost of products.
Прочностные характеристики фрикционного волокнистого композиционного материала в значительной степени зависят от микродефектов его структуры. The strength characteristics of the friction fibrous composite material largely depend on the microdefects of its structure.
В случае использования карбонизованного волокна в результате финишной высокотемпературной обработки УУКМ происходит усадка волокна вследствие изменения его структуры. Одновременно с этим при температурах выше 1750°С, пройдя усадочные явления, наблюдается расширение матричного кокса, обусловленное определенным термическим воздействием [«Углерод, межслоевые соединения и композиты на его основе», Фиалков А.С.]. Это способствует образованию значительных микродефектов в структуре композиционного материала во всем его объеме, которые, в свою очередь, приводят к снижению прочностных характеристик готового изделия и отрицательно сказываются на фрикционно-износных характеристиках УУКМ. In the case of using carbonized fiber, as a result of the finishing high-temperature treatment of CCCM, the fiber shrinks due to a change in its structure. At the same time, at temperatures above 1750 ° C, after shrinkage, expansion of the matrix coke is observed, due to a certain thermal effect ["Carbon, interlayer compounds and composites based on it", Fialkov A.S.]. This contributes to the formation of significant microdefects in the structure of the composite material in its entire volume, which, in turn, lead to a decrease in the strength characteristics of the finished product and adversely affect the frictional and wear characteristics of CCCM.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является способ получения композиционного материала на основе карбонизованного волокна и пековой матрицы с повышенными физико-механическими характеристиками за счет создания специальных условий в технологических режимах процесса его изготовления, предотвращающих структурные изменения армирующего компонента на финишных стадиях изготовления, которые могут приводить к ухудшению эксплуатационных свойств.The technical result of the proposed invention is a method for producing a composite material based on carbonized fiber and pitch matrix with increased physical and mechanical characteristics by creating special conditions in the technological modes of the manufacturing process, preventing structural changes in the reinforcing component at the finishing stages of manufacturing, which can lead to deterioration of operational properties.
Технический результат в предлагаемом изобретении достигается за счет того, что:The technical result in the proposed invention is achieved due to the fact that:
1. Обжиг исходных заготовок, сформованных на основе карбонизованных углеродных волокон с температурой обработки не менее 1400°С и среднетемпературного пека с температурой размягчения 65-95°С проводится при режимах нагрева в интервале температур 400-900°С не более 20°С/час, что способствует равномерной усадке первичной матрицы на основе среднетемпературного пека с содержанием α1-фракции не более 12%. Повышение скорости подъема температуры в данном интервале может приводить к значительным локальным напряжениям в объеме материала и, как следствие, высокой степени дефектности микроструктуры изделия (таблица).1. Firing of initial blanks formed on the basis of carbonized carbon fibers with a processing temperature of at least 1400 ° C and medium-temperature pitch with a softening temperature of 65-95 ° C is carried out at heating modes in the temperature range of 400-900 ° C no more than 20 ° C / hour , which contributes to uniform shrinkage of the primary matrix based on medium-temperature pitch with an α 1 -fraction content of no more than 12%. An increase in the rate of temperature rise in this range can lead to significant local stresses in the bulk of the material and, as a consequence, a high degree of defectiveness of the microstructure of the product (table).
2. При содержании в заготовках коксовой матрицы на основе среднетемпературного пека не менее 40% промежуточная высокотемпературная обработка осуществляется при температуре 1750-2200°С при режиме нагрева заготовок в интервале температур 800-2200°С не более 100°С/час, в течение которой осуществляется направленная усадка армирующих компонентов. Данная стадия обеспечивает термостабильность композита и гарантирует отсутствие остаточных деформаций волокна в результате повторного нагрева при данной температуре. При проведении процесса при скорости подъема температуры в указанном интервале более 100°С/час расширение коксовой матрицы, обусловленное термическим воздействием [«Углерод, межслоевые соединения и композиты на его основе», Фиалков А.С.], будет происходить резко и интенсивно, что приведет к высокой степени дефектности материала из-за создаваемых напряжений в объеме изделия (таблица).2. When the content in the blanks of the coke matrix based on the medium-temperature pitch is not less than 40%, the intermediate high-temperature treatment is carried out at a temperature of 1750-2200 ° C when the blanks are heated in the temperature range 800-2200 ° C no more than 100 ° C / hour, during which directional shrinkage of the reinforcing components is carried out. This stage ensures the thermal stability of the composite and guarantees the absence of permanent deformation of the fiber as a result of reheating at a given temperature. When the process is carried out at a rate of temperature rise in the specified range of more than 100 ° C / hour, the expansion of the coke matrix due to thermal action ["Carbon, interlayer compounds and composites based on it", Fialkov A.S.] will occur abruptly and intensively, which will lead to a high degree of defectiveness of the material due to the created stresses in the volume of the product (table).
3. Дальнейшее жидкофазное уплотнение заготовок с пористостью не менее 25% пеком с содержанием α1-фракции не более 40% осуществляется в процессах карбонизации под давлением при максимальном давлении не менее 20 МПа до достижения необходимой пористости не более 10%, что способствует устранению образовавшихся вследствие усадки армирующих компонентов и структурных изменений коксовой матрицы дефектов материала. Достижение пористости материала более 10% отрицательно сказывается на прочностных характеристиках изделия (таблица).3. Further liquid-phase compaction of billets with a porosity of at least 25% pitch with an α 1 -fraction content of no more than 40% is carried out in carbonization processes under pressure at a maximum pressure of at least 20 MPa until the required porosity is reached no more than 10%, which contributes to the elimination of the resulting shrinkage of reinforcing components and structural changes in the coke matrix of material defects. Achievement of material porosity of more than 10% negatively affects the strength characteristics of the product (table).
4. Финишная термическая обработка материала проводится при температуре не менее чем на 50°С меньше температуры промежуточной высокотемпературной обработки при режиме нагрева заготовок в интервале температур 800-1700°С не более 100°С/час, а в интервале 1700-2150°С - не более 50°С/час, чтобы обеспечить равномерные усадку и расширение коксовой матрицы в данных температурных интервалах. Повышение скорости нагрева в указанных температурных интервалах приведет к значительным микродефектам структуры готового изделия и снижению прочностных характеристик УУКМ. При проведение данной операции при температурах выше 2150°С будут наблюдаться структурные изменения армирующих компонентов, которые также ведут к снижению прочностных характеристик материала (таблица).4. The final heat treatment of the material is carried out at a temperature not less than 50 ° C less than the temperature of intermediate high-temperature processing when heating the workpieces in the temperature range 800-1700 ° C no more than 100 ° C / hour, and in the range 1700-2150 ° C - not more than 50 ° С / hour to ensure uniform shrinkage and expansion of the coke matrix in these temperature ranges. An increase in the heating rate in the indicated temperature ranges will lead to significant microdefects in the structure of the finished product and a decrease in the strength characteristics of CCCM. When this operation is carried out at temperatures above 2150 ° C, structural changes in the reinforcing components will be observed, which also lead to a decrease in the strength characteristics of the material (table).
Таблица. Сравнительные характеристики различных вариантов фрикционных углерод-углеродных изделийTable. Comparative characteristics of different options for friction carbon-carbon products
обработке > 2150°С10. CCCM at finishing high-temperature
processing> 2150 ° C
Claims (2)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020126311A RU2744923C1 (en) | 2020-08-07 | 2020-08-07 | Method for producing carbon-carbon composite material on pitch matrices |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020126311A RU2744923C1 (en) | 2020-08-07 | 2020-08-07 | Method for producing carbon-carbon composite material on pitch matrices |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2744923C1 true RU2744923C1 (en) | 2021-03-17 |
Family
ID=74874494
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2020126311A RU2744923C1 (en) | 2020-08-07 | 2020-08-07 | Method for producing carbon-carbon composite material on pitch matrices |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2744923C1 (en) |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5733484A (en) * | 1995-02-22 | 1998-03-31 | Nippon Oil Co., Ltd. | Method for manufacturing carbon preform and carbon/carbon composite material |
RU2475463C1 (en) * | 2011-11-23 | 2013-02-20 | Закрытое акционерное общество "ГрАВИОНИКС-К" (ЗАО "ГрАВИОНИКС-К") | Method of modifying surface of inorganic fibre, modified fibre and composite material |
RU2581400C2 (en) * | 2009-12-16 | 2016-04-20 | Мессье-Бугатти-Доути | Fabrication of friction part based on carbon-carbon composite |
US20170190629A1 (en) * | 2014-03-27 | 2017-07-06 | Blue Cube Ip Llc | Process for fabricating carbon-carbon composites |
CN108727053A (en) * | 2018-06-04 | 2018-11-02 | 中钢集团新型材料(浙江)有限公司 | A kind of preparation method of high performance carbon carbon complex carbon material |
CN110128142A (en) * | 2019-05-25 | 2019-08-16 | 河北顺天电极有限公司 | A kind of graphite heater and its manufacturing method |
-
2020
- 2020-08-07 RU RU2020126311A patent/RU2744923C1/en active
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5733484A (en) * | 1995-02-22 | 1998-03-31 | Nippon Oil Co., Ltd. | Method for manufacturing carbon preform and carbon/carbon composite material |
RU2581400C2 (en) * | 2009-12-16 | 2016-04-20 | Мессье-Бугатти-Доути | Fabrication of friction part based on carbon-carbon composite |
RU2475463C1 (en) * | 2011-11-23 | 2013-02-20 | Закрытое акционерное общество "ГрАВИОНИКС-К" (ЗАО "ГрАВИОНИКС-К") | Method of modifying surface of inorganic fibre, modified fibre and composite material |
US20170190629A1 (en) * | 2014-03-27 | 2017-07-06 | Blue Cube Ip Llc | Process for fabricating carbon-carbon composites |
CN108727053A (en) * | 2018-06-04 | 2018-11-02 | 中钢集团新型材料(浙江)有限公司 | A kind of preparation method of high performance carbon carbon complex carbon material |
CN110128142A (en) * | 2019-05-25 | 2019-08-16 | 河北顺天电极有限公司 | A kind of graphite heater and its manufacturing method |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US5382392A (en) | Process for fabrication of carbon fiber-reinforced carbon composite material | |
US8454867B2 (en) | CVI followed by coal tar pitch densification by VPI | |
US8268208B2 (en) | Method for reducing variability in carbon-carbon composites | |
JP2009503396A (en) | Brake disc and clutch disc improvements or improvements related to brake discs and clutch discs | |
CN114702328B (en) | SiC nanowire network reinforced layered porous SiC ceramic and preparation method thereof | |
RU2744923C1 (en) | Method for producing carbon-carbon composite material on pitch matrices | |
CN116283355B (en) | Carbon ceramic brake disc compounding process for uniformly compounding carbon fibers with ceramics | |
JPH08226054A (en) | Production of carbon primary molding and carbon/carbon composite material | |
CN108440010A (en) | A kind of assorted fibre enhancing superhigh temperature anti-yaw damper composite material and preparation method | |
CN110578071B (en) | Heat treatment method for improving hardness of high-temperature titanium alloy-based composite material | |
CN114890805A (en) | Preparation process of carbon-carbon crucible in continuous graphitizing furnace | |
RU2741981C1 (en) | Method of producing base for making friction composite carbon-silicon carbide material | |
RU2012153529A (en) | METHOD FOR PRODUCING SEALED ARTICLES FROM CARBON-SILICON MATERIALS | |
CN114031405A (en) | Manufacturing process and application of cold isostatic pressing graphite | |
RU2795405C1 (en) | Method for obtaining reinforced composite material based on silicon carbide | |
RU2552545C2 (en) | Method of producing sealed articles from heat resistant composites | |
KR102094245B1 (en) | Manufacturing method of carbon formed body | |
CN113373505B (en) | Single crystal furnace thermal field heat preservation cylinder and preparation method thereof | |
CN115594515A (en) | Preparation method of corrosion-resistant carbon/carbon composite material heat-insulating cylinder based on winding process | |
KR20040088808A (en) | Method for fabricating porous SiC ceramics using plant | |
CN113956060A (en) | Carbon-carbon composite material ring for hot-pressing sintering and preparation method thereof | |
SU1016273A1 (en) | Method for making carbonaceous refractories | |
CN115745646A (en) | Preparation method of carbon/carbon composite material | |
CN118993756A (en) | High-strength porous silicon nitride ceramic and preparation method thereof | |
CN118745110A (en) | A method for preparing high-strength, low-density and lightweight silica brick |