ABLOY-FIRE.RU - Надежная автоматика для противопожарных дверей

Abloy
Главная
Продукция
Решения для одностворчатых дверей
Решения для двустворчатых дверей
Где купить


Новости

21.05.07 - Итоги семинара "Системы автоматического закрывания противопожарных дверей Abloy"

10.05.07 - Первый в России семинар: "Системы автоматического закрывания противопожарных дверей Abloy"

30.04.07 - Открыт новый сайт "Надежная автоматика для противопожарных дверей Abloy"

Углеродные композитные материалы


Углеродные композитные материалы - Статьи

Углеродные композитные материалы имеют графитовую или углеродную матрицу, которая дополнительно укреплена волокнами из углерода. В виде матрицы используется пироуглерод, остатки коксов термореактивных смол или нефтяного пека. Готовые изделия имеют вид плоских элементов и элементов профилированной формы.

Производство композитов затратное, требует наличие ресурсов и оборудования. За счет этого технически сложный производственный процесс застрахован от возможности задействовать углеродные материалы в кустарных условиях.

Преимущества материала

Достоинства углеродных материалов:

  • стойкость к термоударам;

  • небольшой вес и жесткость;

  • долгий срок службы;

  • устойчивость к возникновению коррозии;

  • широкая сфера применения;

  • хорошая теплопроводность;

  • оптическая прозрачность;

  • удобство хранения, транспортировки.

Особенности и сфера применения композитов

Процесс изготовления УУКМ осуществляется по жидкофазной/газофазной технологии. Прочность материала превосходит легированную сталь. Благодаря малому весу удастся менять габаритные детали на более легкие аналоги. Обеспечивается защиту от коррозии при использовании в условиях воздействия агрессивной среды. Низкая плотность наблюдается из-за пористости материала. Первоначальная прочность и жесткость долго сохраняется в инертной среде при температуре до 3000°C. За счет многоразовой пропитки, а также благодаря процессу карбонизации происходит снижение пористости, улучшаются механические свойства.

Композиты обладают прочностью и износостойкостью, что делает их подходящими для изготовления крепежных систем, которые эксплуатируются при высокой температуре. Композиционный углерод и графит используется для нужд множества сфер:

  • Строительство. Армирование конструкций.

  • Космос. Производство деталей и узлов.

  • Авиа- ракетостроение. Изготовление деталей относящейся к тормозной группе самолета, элементов воздухозаборника, сопл реактивных двигателей.

  • Металлургия. Производство пресс-форм.

  • Машиностроение. Получение подшипников для конструктивных элементов трения.

  • Атомная энергетика. Узлы, основные материалы активной зоны.

  • Медицина. Изготовление пластинок армирующего типа, которые задействуются для фиксации костей во время переломов, сердечных клапанов, имплантов, элементов суставов.

  • Электроника. В виде футеровки и изоляции теплового типа. Могут использоваться как нагревательные элементы и изоляция в ростовых агрегатах.

Материал может использоваться в вакууме, инертной, восстановительной среде. Допускается воздействие температуры до 2500°C.

Статьи по теме:

Производство пирографита

Углеродные композиты в технике

Углеродные композиты в технике

Комков И.А. 1

1Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение Московской области "Балашихинский техникум"

Малышева Н.А. 1

1Московская область, го Балашиха, проспект Ленина, дом 67А

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Данная тема очень актуальна на сегодняшний день, потому что композиты являются самыми популярными и часто применяемыми материалами в авиастроении и ракетостроении. Многие из таких материалов легче и прочнее наиболее подходящих по своим физическим свойствам металлических (алюминиевых и титановых) сплавов. В большинстве композитов (за исключением слоистых) компоненты можно разделить на матрицу (или связка) и включённые в неё армирующие элементы (или наполнители). В композитах конструкционного назначения армирующие элементы обычно обеспечивают необходимые механические характеристики материала (прочность, жёсткость и т. д.), а матрица обеспечивает совместную работу армирующих элементов и защиту их от механических повреждений и агрессивной химической среды. При совмещении армирующих элементов и матрицы образуется композиция, обладающая набором свойств, отражающими не только исходные характеристики его компонентов, но и новые свойства, которыми отдельные компоненты не обладают.

Цель работы: раскрыть важность углерода в авиастроении и ракетостроении, а также в медицине.

История открытия углерода и его свойства.

Углерод — это химический элемент четырнадцатой группы, 2-го периода периодической системы с атомным номером 6 и атомной массой 12.

Углерод известен человечеству с древнейших времен, прежде всего, как уголь и алмаз. Как индивидуальный химический элемент углерод был признан Лавуазье в конце XVIII в. и получил свое название (Carboneum) от латинского carbo - уголь. Ни один элемент Периодической системы Менделеева не обладает тем разнообразием свойств, иногда прямо противоположных, которое присуще углероду. Это эталон прозрачности и “абсолютно” черное тело; диа- и парамагнетик; диэлектрик и металл; полупроводник и полуметалл; сверхтвердый и сверхмягкий материал; теплоизолятор и один из лучших проводников тепла. Столь уникальные свойства - причина того, что и чистый углерод, и содержащие его материалы служат объектами фундаментальных исследований и применяются в бесчисленных технических процессах. Все это ярко свидетельствует о его огромной важности для цивилизации. Еще несколько десятилетий назад были известны три основных аллотропных формы углерода: алмаз, графит и карбин. Однако в последнее время были открыты новые модификации углерода, обладающие уникальными свойствами – фуллерены и углеродные нанотрубки.

Открытие углеродных композитных материалов

Углеродные композиционные материалы впервые были созданы в начале 60-х годов прошлого столетия одновременно с появлением высокопрочных углеродных волокон. Способ получения волокон из углерода – неплавкого и нерастворимого вещества – подсказан впервые Эдисоном и Сваном. Им удалось, нагревая органические волокна в определенных условиях, не разрушать их, а превращать в углеродные. Этот же принцип был использован в конце пятидесятых годов прошлого века, когда независимо друг от друга, в СССР, США и Японии развернулись исследования, положившие начало созданию промышленности углеродных волокнистых материалов (УВМ). За прошедшие годы в качестве исходного сырья для этих целей были испробованы практически все промышленные, а так же ряд специально полученных волокон. Однако большинство из них не удовлетворяло предъявленным требованиям, основные из которых – неплавкость или легкость ее придания, выход готового волокна и его высокие показатели.

Что такое композитные материалы?

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.

Зачем нужныуглеродные композитные материалы и где они применяются.

Углеродные композиционные материалы содержат углеродный армирующий элемент в виде дискретных волокон, непрерывных нитей или жгутов, войлоков, лент, тканей с плоским и объемным плетением, объемных каркасных структур. Волокна могут располагаться хаотически, одно-, двух- и трехнаправленно. Они применяются для изготовления изделий, работающих в наиболее сложных термически напряженных условиях, таких как: критические детали двигателей; высокотемпературные нагреватели и конструкции; тормозные диски современных высокоскоростных и тяжелогрузных гражданских самолетов, и автомобилей. Кроме того, возможно использование этих материалов и в других изделиях и конструкциях.

Структура углеродных композитных материалов.

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.

Принципы получения углеродных волокон (УВ).

Как известно, механическая прочность твердых тел определяется силой межатомной связи этого вещества. Для твердого тела механическая прочность и твердость пропорциональны. Из природных тел наибольшую твердость имеет алмаз, в котором имеются прочные межатомные связи углерод-углерод. Вот эти связи и можно использовать для создания высокопрочных волокон. Связи углерод-углерод имеются не только в алмазе, но и в графите. Последний имеет слоистую структуру. Внутри слоев имеются прочные связи углерод-углерод, а между слоями межатомные связи углерод-углерод слабые, их называют Ван-дер-Ваальсовыми. Если чещуйки графита расположить вдоль волокон, то волокно получится прочное. Вопрос о том, как осуществить эту ориентацию? Возможны несколько вариантов:

1. механически вырезать чешуйки и механически их ориентировать;

2. расплавить углерод и направленно закристаллизовать;

3.расплавить высокомолекулярные углеводороды и после их механической однонаправленной ориентации закристаллизовать, а затем удалить все атомы кроме углерода;

4. это же самое можно сделать не в расплаве, а из раствора углерода;

5. на подложку в виде какого-то волокна нанести ориентированно слои графита или высокомолекулярного углеводорода, а затем подложку оставить или удалить.

Первый и второй варианты теоретически возможны, но потребуют очень больших энергетических затрат, т.е. не технологичны и не реальны. А вот 3-й, 4-й и 5-й варианты как раз и используются в промышленности. Рассмотрим их более подробно.

Существуют два термина “графитовые волокна” и “углеродные волокна”.

Термин “графитовые волокна” применяются к волокнам, подвергнутым температурной обработке при 1700 С, обладающих высокой степенью ориентации и имеющим высокий модуль упругости (345 ГПа)

Термин “углеродные волокна” применим к волокнам, термообработанным при 1700 С и имеющим малую степень ориентации и модуль которых не превышает 345 ГПа.

Общепринятая технология производства углеродного волокна основана на термической обработке различных органических волокон:

1. гидратцеллюлозных (ГТЦ), (вискозные),

2. полиакрилонитрильных (ПАН),

3. пека (смола из нефти или каменного угля),

4. полиэфиров,

5. полиамидов (-Nh3), полиимидов (=NH),

6. поливинилового спирта (ПВС),

7. поливинилдехлорида,

8. поли-п-фенилена,

9. фенольных смол и т.д.

Из всех видов исходных волокон наиболее пригодными по технологическим и экономическим параметрам оказались ГТЦ (гидратцеллюлозы, вискозные), ПАН (полиакрилонирилов), из пека (смолы нефти- и угольные)Б которые на сегодня являются основным сырьем для изготовления УВ.

УВ, полученные из ГТЦ, были впервые исследованы еще в 1880 г. Они были использованы Т. Эдисоном в его первом патенте на лампы накаливания. Нить, которая была использована в лампе, получена в результате пиролиза хлопкового гидратцеллюлозного волокна. Нити были очень хрупкими, обладали высокой пористостью, что приводило к неравномерному их нагреву, а при высокой температуре они окислялись. В последующие 30 лет для преодоления этих недостатков был предложен метод пиролитического нанесения покрытий на волокно (пиролиз – превращение органических соединений с одновременной деструкцией их под действием высокой температуры). Приблизительно в то же время в лампах накаливания стали применять гибкую вольфрамовую проволоку и интерес к углеродным нитям угас и не возраждалсяло середины 50-х годов ХХ столетия. Термическая обработка исходных волокон в инертном газе при повышенной температуре 1000 С позволила получить волокна с пределом прочности при растяжении 275 МПа = 0,3 ГПа.

Возрождение интереса к УВ совпало с усиленными поисками армирующей составляющей, которую можно было бы использовать при создании ракет и ракетных двигателей. В 1959 г. фирма “Юнионкарбайд” начала выпускать углеродные ткани, нетканные материалы и пряжу, исходным сырьем для которых служило гидратцеллюлозное (ГТЦ, вискозное) волокно. Партия исходного материала подвергалась предварительному нагреву до температуры 900 С в среде инертного газа, а затем проводился процесс карбонизации (обуглероживание) при температурах, превышающих 2500 С (интенсивная сублимация, Тпл 3500 С при 100 тыс. ат.). Волокна, полученные этим методом, имели предел прочности при растяжении 0,3-0,9 ГПа, = 300-900 Мпа

Об использовании пеков при производстве УВ сообщили в 1965 г. Сначала волокна получали в основном формованием из расплавов изотропных пеков или аналогичных дешевых продуктов нефтепереработки. Эти волокна также подвергались окислению с последующей карбонизацией в инертной атмосфере при температуре 1000 С. Свойства таких изотропных волокон были весьма невысокими. Новый метод получения УВ из пека: пек переводился в жидкокристаллическую (мезоморфную) форму перед процессом прядения. Жидкокристаллическое состояние реализуется в процессе вытягивания в инертном газе при температуре 400-500 С. Пек, переведенный хотя бы частично в мезоморфную фазу, формуется, подвергается окислению и дальнейшей карбонизации при температуре 1000-3000 С. Волокна, полученные этим способом, обладают достаточно высокой степенью ориентации (анизотропией), что предопределено исходным, жидкокристаллическим состоянием. В 1975 г. получили УВ с модулем упругости 700 ГПа.

Достижения России в этом направлении.

ПАО «Авиационная корпорация «Рубин», основанная в 1946 году, является в настоящее время одним из ведущих научно-производственных предприятий авиационной промышленности России, традиционно специализирующееся в областях проектирования, производства и испытания агрегатов гидравлических систем и взлетно-посадочных устройств самолетов и других летательных аппаратов.

В последние десятилетия важным направлением стала разработка и производство авиационных тормозов на основе фрикционных композиционных материалов. Логическим развитием этого направления стала организация на ПАО АК «Рубин» производства изделий из углеродных композитов на базе современного технологического оборудования. Применение композиционных материалов позволяет снизить вес летательного аппарата на 10…50% в зависимости от типа конструкции и, соответственно, сократить расход топлива, повысив при этом надежность. Созданы также композиционные материалы, в которых пластиковая (полимерная) основа армируется стеклянными, кевларовыми или углеродистыми нитями.

Композиционные материалы широко используются в самолетостроении из-за их хороших весовых и механических характеристик, позволяющих создать легкие и прочные конструкции, работающие и при повышенных температурах. Отличительной особенностью российских фрикционных композиционных углеродных материалов от аналогичных материалов зарубежного производства является применение для их получения специальных связующих, что придает им ряд преимуществ по сравнению с зарубежными аналогами. В результате выполненных научно-исследовательских работ, на ПАО АК «Рубин» был успешно разработан, испытан и запущен в производство новый углеродный композиционный материал Термар-АДФ-ОС, который используется для тормозной системы самолетов.

Высокая плотность способствует повышению энергоемкости тормозов, а так же окислительной стойкости, прочности и износостойкости выпускаемых ПАО АК «Рубин» деталей, стабильности фрикционных характеристик, повышению надежности работы и ресурса тормозных дисков, сокращению простоев самолетов и уменьшению затрат на замену и ремонт тормозов.

Многие современные отечественные гражданские самолеты оснащены углеродными тормозами, которые разработаны и поставлены заказчикам с ПАО АК «Рубин».

В результате новых разработок, мы получили:

Возможность использовать относительно недорогое и недефицитное сырье отечественных и зарубежных производителей, широко применяющееся в других отраслях промышленности;

Более короткий технологический цикл – в 1,5-2 раза короче технологического цикла у зарубежных производителей;

Возможность и далее снижать себестоимость выпускаемой продукции с одновременным повышением ее качества.

Углеродная керамика.

Используют также и другую технологию углеродных материалов. Она включает смешение измельченной твердой фазы (наполнителя) с находящимся в вязкопластичном состоянии связующим, придание получающейся смеси нужной формы и последующую термообработку. В качестве наполнителей применяют достаточно большой набор твердых углеродистых веществ: каменноугольные, нефтяные и сланцевые коксы, термообработанный антрацит, сажу и т.д. Выбор связующего намного более ограничен, это, как правило, нефтяные и каменноугольные пеки. В композиции наполнитель-связующее применяется твердая фаза, уже прошедшая стадию карбонизации. В связи с этим процесс получения углеродного материала на ее основе есть процесс карбонизации связующего в присутствии порошка наполнителя.

Что такое углеродная нанотрубка?

Углеродная нанотрубка (сокр. УНТ) — это аллотропная модификация углерода, представляющая собой полую цилиндрическуюструктуру диаметром от десятых до нескольких десятков нанометров и длиной от одного микрометра до нескольких сантиметров (при этом существуют технологии, позволяющие сплетать их в нити неограниченной длины), состоящие из одной или нескольких свёрнутых в трубку графеновых плоскостей.

Свойства и преимущества углеродных нанотрубок.

Обладают адсорбционными свойствами. Могут хранить в себе различные газы, например, водород. Попав внутрь атомы и молекулы уже не могут выйти наружу, т.к. концы трубки запаиваются, а пройти через графеновые плоскости цилиндра они не могут, т.к. углеродные решетки слишком узки для большинства атомов,

Обладают капиллярным эффектом. Углеродные нанотрубки открытым концом втягивают в себя жидкие вещества и расплавленные металлы,

Улучшение эксплуатационных характеристик других материалов при добавлении в их структуру,

Высокая прочность. Углеродные нанотрубки прочнее лучших марок стали в 50-100 раз,

Имеют в шесть раз меньшую плотность, чем обыкновенная сталь. Это означает, что материалы на основе углеродных нанотрубок при одинаковом объеме будут в десятки раз прочнее. Нанокабель длиной от земли до луны, состоящий из одной углеродной нанотрубки, можно намотать на катушку размером с маковое зернышко,

Модуль юнга у углеродных нанотрубок вдвое выше, чем у обычных углеродных волокон,

Небольшая нить из углеродных нанотрубок диаметром 1 мм выдерживает груз весом 20 тонн, что в сотни миллиардов раз больше ее собственной массы,

Высокая огнестойкость,

Рекордно высокая удельная поверхность — до 2 600 м2/г,

Высокая гибкость. Их можно растягивать, сжимать, скручивать и пр., не опасаясь при этом повредить их каким-либо образом. Они напоминают жесткие резиновые трубки, которые не рвутся и не ломаются при различных механических нагрузках. Однако под действием механических напряжений, превышающих критические, нанотрубки не только не рвутся и не ломаются, а просто перестраиваются, сохраняя при этом высокую прочность, гибкость, прочие механические и электрические свойства,

Высокая устойчивость к изнашиваемости. Многоразовая деформация (тысячи и десятки тысяч циклов скручивания/раскручивания, сжатия/растяжения в минуту) нанотрубок никаким образом не влияет на их прочность, на их электро- и теплопроводность. Какие-либо признаки деформации либо износа при этом отсутствуют,

Повышенная электро- и теплопроводность.

Взаимная связь между электрическими и механическими свойствами,

Проявляют мемристорный эффект,

Занимают промежуточное положение между кристаллами и отдельными атомами. Поэтому применение углеродныхнанотрубок будет способствовать миниатюризации устройств,

С помощью углеродных нанотрубок можно создавать полупроводниковые гетероструктуры, т.е. Структуры типа «металл/полупроводник» или стык двух разных полупроводников,

Обладая повышенной теплопроводностью, эффективно рассеивают тепло,

Ловят радиоволны частотой от 40 до 400 мгц (обычные ам и fм волны), а затем усиливают и передают их,

Гидрофобны. Отталкивают воду.

Получение углеродных нанотрубок.

К наиболее эффективным методам синтеза нанотрубок относятся:

Лазерная абляция,

Дуговая сварка,

Химическое осаждение подложки из газовой среды под действием катализатора при температуре 700°с (cvd).

Термическое распыление графитового электрода в плазме дугового разряда в атмосфере гелия.

Применение углеродных нанотрубок.

Микроэлектроника,

Ионисторы (ультраконденсаторы, суперконденсаторы),

Технический текстиль,

Высокопрочные волокна, нити,

Радиопоглощающие покрытия,

Автомобильные детали,

Зонды для атомно-силового микроскопа,

Элементы питания длительного срока эксплуатации,

Структурные композитные материалы с улучшенными эксплуатационными характеристиками,

Противообрастающие краски (для защиты подводных частей суден),

Газовые биосенсоры,

Проводящие пластмассы,

Плоские дисплеи,

Искусственные мышцы (искусственная мышца из скрученных нитей углеродных нанотрубок с добавлением парафина в 85 раз сильнее человеческой)

Фуллерен.

Фуллерен — молекулярное соединение, принадлежащее к классу аллотропных форм углерода и представляющее собой выпуклые замкнутые многогранники, составленные из чётного числа трёхкоординированных атомов углерода. Уникальная структура фуллеренов обуславливает их уникальные физические и химические свойства.

 

Преимущества и свойства фуллерена:

Материалы с применением фуллеренов обладают повышенной прочностью, износостойкостью, термо – и хемостабильностью и уменьшенной истираемостью,

Механические свойства фуллеренов позволяют использовать их в качестве высокоэффективной антифрикационной твердой смазки. На поверхностях контртел они образуют защитную фуллерено-полимерную плёнку толщиной десятки и сотни нанометров, которая защищает от термической и окислительной деструкции, увеличивает время жизни узлов трения в аварийных ситуациях в 3-8 раз, увеличивает  термостабильность смазок до 400-500 °c и несущую способность узлов трения в 2-3 раза, расширяет рабочий интервал давлений узлов трения в 1,5-2 раза, уменьшает время приработки контртел,

Фуллерены способны полимеризоваться и образовывать тонкие пленки,

Резкое снижение прозрачности раствора фуллеренов при превышении интенсивности оптического излучения некоторого критического значения за счет нелинейных оптических свойств,

Возможность использования фуллеренов в качестве основы для нелинейных оптических затворов, применяемых для защиты оптических устройств от интенсивного оптического облучения,

Фуллерены имеют способность проявлять свойства антиоксиданта или окислителя. В качестве антиоксидантов они превосходят действие всех известных антиоксидантов в 100 — 1000 раз. Были проведены опыты на крысах, которых кормили фуллеренами в оливковом масле. При этом крысы жили вдвое дольше обычных, и, к тому же, демонстрировали повышенную устойчивость к действию токсических факторов.

Является полупроводником с шириной запрещённой зоны ~1.5 эв и его свойства во многом аналогичны свойствам других полупроводников,

Фуллерены с60, выступая в качестве лиганда, взаимодействуют с щелочными и некоторыми другими металлами. При этом образуются комплексные соединения состава ме3с60, обладающие свойствами сверхпроводников.

Получение фуллеренов.

Основными способами получения фуллеренов считаются:

Сжигание графитовых электродов в электрической дуге в атмосфере гелия при низких давлениях.

Сжигания углеводородов в пламени.

Применение фуллеренов.

Антистатические, противоизносные и антифрикционные полимеры, пластмассы.

Сорбенты для пищевой промышленности и очистки воды,

Лекарства и фармацевтические препараты,

Геомодификаторы трения,

Косметика.

В качестве добавки для получения синтетических алмазов методом высокого давления. Выход алмазов увеличивается на 30%,

Заключение.

На данный момент ведутся разработки и исследования других конструкционных материалов на основе углерода, позволяющих успешно применять изделия из них во многих отраслях машиностроения.

Как показывает практика, композитные материалы, несмотря на их высокую стоимость и сложности в производстве, могут стать самыми используемыми и удобными материалами при правильном применении. Композиционные материалы обеспечивают конструкции высокую прочность и износостойкость, а так же малый вес конструкции, что жизненно необходимо при проектировании авиационных и космических аппаратов. Кроме того, композиционные материалы не менее успешно применяются и в других областях, от машиностроения, до медицины. Широкие перспективы открываются в создании новых композиционных материалов с уникальными свойствами, что откроет новые горизонты во многих областях человеческой деятельности.

Источники.

Интернет источники:

http://втораяиндустриализация.рф/fulleren-allotropnaya-forma-ugleroda/

http://втораяиндустриализация.рф/uglerodnyie-nanotrubki-ih-proizvodstvo-svoystva-i-primenenie/

https://studfiles.net/preview/6382292/page:3/

http://acrubin.ru/primary-activity/production/23-grafit.html

Список литературы:

1. Справочник по композиционным материалам: в 2-х книгах. Кн.2 Под ред. Дж. Любина. - М.:Машиностроение, 1988

2. Зуев Н.И., Голиковская К.Ф. - Журнал "Известия Самарского научного центра Российской академии наук" Выпуск№ 4-2 / том 14 / 2012

3. Журнал "Актуальные проблемы авиации и космонавтики" Выпуск№ 6 / том 1 / 2010

4. Композиционные материалы в ракетно-космическом аппаратостроении Под ред. Гардымова Г.П. - СПб.:СпецЛит, 1999

Просмотров работы: 132

КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ СИСТЕМЫ УГЛЕРОД-УГЛЕРОД.  История создания

Министерство образования и науки Российской Федерации

 

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

 «Санкт-Петербургский государственный университет промышленных технологий и дизайна»

 

 

Институт прикладной химии и экологии

 

 

Кафедра: Наноструктурных, волокнистых композиционных материалов
Направление подготовки: (специальность) 18.03.01 Химическая технология
Профиль подготовки: (специализация) 24.02.01 Технология и оборудование производства химических волокон и композиционных материалов на их основе

 

КУРСОВАЯ РАБОТА по учебно-исследовательской работе
на тему: “Получение исследование свойств углерод-углеродных композиционных материалов”
Руководитель:  

 д-р технич. наук, проф. Лысенко В.А.

   
 

(должность, ученая степень / звание, Ф.И.О.)

  (подпись)
Обучающийся:  

Шлемин Е.Н.

   
 

(Ф.И.О.)

  (подпись)
Курс   4   Учебная группа:  

4-ХДА-3

 
                 

 

 

 Санкт-Петербург

2019

СОДЕРЖАНИЕ

Углерод-углеродные композиционные материалы.. 3

КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ СИСТЕМЫ УГЛЕРОД-УГЛЕРОД. История создания 12

Углеродная матрица и способы ее получения. 13

Жидкофазный способ получения углеродной матрицы.. 15

Газофазный способ получения углеродной матрицы.. 17

Метод импульсного осаждения в режиме давление – вакуум.. 18

Высокотемпературная термообработка (графитация) УУКМ... 19

Окисление УУКМ... 20

Влияние состава УУКМ на его структуру и свойства. 22

Влияние расположения углеродных волокон в объеме на механические свойства УУКМ... 23

Усталость и сохраняемость. 24

Свойства и области применения УУКМ... 24

Применение УУКМ в химических источниках тока. 28

Материалы газодиффузионных подложек. 31

Промышленное производство газодиффузионных подложек на основе углерод-углеродных композитов. 34

Список использованных источников. 39

 

1.Углерод-углеродные композиционные материалы

Углерод-углеродные композиционные материалы - такие материалы, матрица и наполнитель которых состоят из углерода. В качестве наполнителя применяют углеродные волокна, ленты и ткани; углеродными матрицами могут быть коксы пеков, синтетические смолы, пироуглерод. [1]

Углеродные волокна (УВ) это волокна, состоящие на 95 - 98 % из углерода. Углеродные волокна обычно получают термической обработкой химических или природных органических волокон (прекурсоров), при которой в материале волокна остаются главным образом атомы углерода. Помимо обычных органических волокон (чаще всего вискозных и полиакрилонитрильных), для получения углеродных волокон могут быть использованы специальные волокна из фенольных смол, лигнина, каменноугольных и нефтяных пеков [2].

На рисунке 1 представлена схема получения углеродных волокон.

 

Рисунок. 1. Схема получения УУКМ

В Таблице. 1 представлена эффективность карбонизации основных полимерных волокон-прекурсоров

Таблица 1.  Эффективность карбонизации полимерных волокон-прекурсоров

Полимер

ные волокна

Содержа

ние углерода по данным элементного анализа

Выход карбонизованного остатка, %

Особенности технологии

Без использова-ния специаль ных приемов С использова нием добавок и дополнительных обработок
ПАН (сополи-меры) 63–65 48–52, после термо-стабилиза ции 57–60, фосфорсодержа щие соединения Требуется предокисле ние, обработка NaOH, радиационное облучение
ГЦВ 42–44 18–22 35–40, добавки пиролиза Не нуждается в предокисле нии
ПЕК 75–88 58–60 Неизвестно Требуется окислитель ная стабилизация
ФФС (Kynol) 78–80 58–60 60–65, использование фосфорорганиче ских соединений Требуется предваритель-ная полимериза ция
Лигнин 65–67 45-50 Специальные добавки и условия Предокисле ние

Физико-механические и химические свойства углеродных волокон определяются видом исходного сырья, условиями получения, температурой и средой термообработки и другими факторами.

По мере развития исследований и технологии производства были получены и выделились в отдельную группу весьма важные для современной техники более высокопрочные и высокомодульные углеродные волокна, и была использована их классификация, основанная на физико-механических свойствах, приведенных в таблице 2.

Таблица 2. – Характеристики углеродных волокон по современной классификации

Тип УВ Модуль упругос ти, ГПА Прочность на разрыв, ГПа Термо-провод ность, Вт/м·К Удельное сопротивле ние, мОм·см Стои мость, USD/кг

УВ из ПАН

Промышленные 230 0,380 20 1,65 18 - 24
Стандартные с модулем упругости 220-241 3,5-3,8 20 1,65 36 - 44
Среднемодуль ные 290-300 3,5-6,2 20 1,65 65 - 73
Высокомодуль ные 350-450 3,5-5,5 20 1,45 100 - 150
Сверхвысокомо-дульные 500-950 80 0,90 250 - 1900

УВ из пеков

Низкомодульные 170-240 1,4-3,1 1,30 100-160
Высокомодульные 380-620 1,9-2,7 0,90 1700
Сверх.выс.модульн. 690-970 2,4 400 - 1100 0,13 3600

 

В основе производственного процесса изготовления УУКМ находятся технологии создания армирующих каркасов и насыщения их матричным материалом. Из существующих систем структур армирования УУКМ в практике получили наибольшее распространение системы двух, трёх, четырёх и реже n нитей. Изменяя соотношение армирования в разных направлениях, создают материалы с заданными свойствами. Подробный анализ сравнительных преимуществ материалов, образованных системой трех нитей, и многомерных композиционных материалов выполнен в работах [3].

Методы изготовления армирующих каркасов УУКМ различны, среди них ткачество сухих нитей, прошивка тканей, сборка жестких стержней, изготовленных из углеродных нитей методом пултрузии, намотка нитью, плетение, а также комбинация этих методов.

Одной из основных составных частей УУКМ является углеродная матрица. Она объединяет в одно целое армирующие элементы в композиционном материале, позволяет материалу наилучшим образом воспринимать различного рода нагрузки, принимает участие в создании несущей способности композита [2].

Определяющими факторами при выборе исходного материала матрицы, как правило, являются его состав, вязкость, выход и структура кокса.

Наиболее часто в качестве матрицы применяют пироуглерод и кокс синтетических или природных связующих.

Пиролитический углерод — продукт разложения углесодержащих соединений на горячих поверхностях, который получается методом осаждения из нагретых гомогенно, гетерогенно или гомогенно-гетерогенно, разлагающихся газов и паров или твердых веществ. Источником паров, газов, твердых веществ, являются природные газы, например метан, продукты их первичного пиролиза, пропан-бутановые смеси, пары жидких углеводородов: бензола, ацетилена, хлорсодержащие углероды и их производные, каменные и бурые угли. Вся эта группа химических соединений, называется традиционным углеводородным сырьем, которая применяется для получения пиролитического углерода. В зависимости от температурных режимов нагрева углеводородного сырья, большинство исследователей пиролитический углерод называют: полукокс (температура нагрева 400 - 600 °С), кокс (температура нагрева          600 - 950 °С), пиролитический графит (температура нагрева 950 - 1300 °С). Скорость образования пиролитического углерода и его структура зависят от используемого углеводородного сырья [1]. Наибольший выход пиролитического углерода получается из метана, имеющего наименьшую из указанных соединений относительную молекулярную массу, в то время как у углеводородов с большой молекулярной массой наблюдается повышенный выход сажи.

В качестве матричных материалов УУКМ при жидкофазном способе используют термореактивные и термопластичные связующие. Большинство термореактивных связующих в качестве основных компонентов состава содержат смолы. Термопласты в качестве связующего используют редко, из-за малой величины коксового остатка после карбонизации. Исключение составляют каменноугольные и нефтяные пеки, в которых изначально содержится до 90 – 95 % углерода и много его остается в коксовом остатке. В таблице 3 приведены данные по выходу углеродного остатка при карбонизации ряда исходных материалов.

 

Таблица 3.  Выход углеродного остатка для различных материалов

Исходный материал Углеродный остаток, % мас.
Полиэфиры 2–18
Эпоксидные смолы 7–25
ПВС 25
Полифениленовая смола 71
Полибензимидазоловая смола 73
Полиимидная смола 60
Фенолформальдегидная смола 60–65
Смола на основе фурфуриловых эфиров 63
Пек 70–80

 

    Выбор связующего для получения УУКМ осуществляется по следующим критериям: высокий выход карбонизованного остатка, технологичность при изготовлении композитов, стоимость.

    Основными исходными материалами для матрицы УУКМ являются термореактивные фенольные и фурфуриловые смолы и пек из смолы каменного угля и нефти.

    При выборе метода пропитки должны быть рассмотрены ряд факторов, одним из которых является эффективность пропитки, которая тесно связана со стоимостью производства и механическими свойствами композита.

    При использовании метода пропитки в виде окунания в пропиточную ванну, эффективность пропитки может ограничиваться.

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.[2]

Предельные температуры эксплуатации металлических сплавов составляют: сплавы алюминия – 160 °С (кратковременно до 500 °С), сплавы титана до      400 °С (кратковременно до 850 - 1000 °С), сплавы бериллия – 450 °С , сплавы магния – 180 °С (до 300 °С), сталь 30 ХГС – 400 - 500 °С (кратковременно до 900 °С), никелевые сплавы – 815 - 1035 °С, никель- хромовые сплавы – 750 °С, коррозионностойкие стали – 500 °С, кобальтовые сплавы – 870 - 1205 °С медноникелевые сплавы – 300 °С, бронза – 200 – 400 °С. Углерод углеродные композиционные материалы (УУКМ), углеродкерамические УУКМ и их модификации сочетают высокие упругоустойчивые свойства с высокой термостойкостью – при 20 °С – 340 Мпа, при 2200 °С – 240 МПа. Графически температуры эксплуатации представлены на рисунке 3.

Рисунок. 2.Зависимость удельной прочности при растяжении σ/р конструкционных материалов от температуры [3]: 1 – алюминиевые сплавы; 2 – МКМ AL/B;        3 – нержавеющая сталь; 4 – титановые сплавы, 5 – эпоксидные углеволокниты; 6 – малеинимидные углеволокниты; 7 — полиимидные углеволокниты;     8,9— УУКМ различных типов и структуры; 10 — МКМ Ti/SiC (Ti 2124 +         15 % м. волокон SiC)

 

 

Изменения удельной прочности некоторых материалов от температуры в диапазоне от 0 до 1600 °С представлены на рис. 2. Как видно из рис. 2 предельные температуры эксплуатации алюминиевых, титановых сплавов, а также стали находятся в области до  430 °С, в то же время УУКМ различных типов сохраняют наибольшую удельную прочность при таких температурах, а как сказано выше, имеют температуру эксплуатации значительно превышающую 430 °С.

Основное применение УУКМ находят в изделиях, которые работают при температурах выше 1200 °С [3].

Перечисленные преимущества КМУУ позволили успешно их применять в качестве тормозных дисков в авиационных тормозах, соплах ракетных двигателей, в защитных накладках крыльев космических челноков, пресс-формах, тиглях, роторов турбин, труб высокого давления, для подшипников скольжения, уплотнений и т. д. Особо надо отметить повышающийся интерес на использование КМУУ в электротехнике [3].

Отрасли применения УУКМ рассмотрены на рисунке 3.

Рисунок. 3. Области применения УУКМ [3]: 1 — фрикционные диски узлов торможения самолетов СУ-ЗОМ, ТУ-154, ТУ-160, ИЛ-96; 2 — неохлаждаемые сопла ЖРД; 3 — внешняя переизлучающая многоразовая теплозащита — ВКС и МАКС; 4 —сопла РДТТ установок залпового огня систем «Ураган», «Град»;  5 — сопла РДТТ зенитных комплек­сов «Игла», С-300, С-400 «Триумф»;       6 — сопла РДТТ СС-20, СС-24, СС-25, «Тополь»; 7 — первая стенка «Токамака»; 8 — Перспективные РДТТ; 9 — ГЧ БРДЦ, детали двигательных установок ядерных РД.

 

 

 

КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ СИСТЕМЫ УГЛЕРОД-УГЛЕРОД.  История создания

Композиционные материалы системы углерод-углерод впервые были созданы в начале 60-х годов прошлого столетия одновременно с появлением высокопрочных углеродных волокон. Способ получения волокон из углерода – неплавкого и нерастворимого вещества – подсказан впервые Эдисоном и Сваном [1]. Им удалось, нагревая органические волокна в определенных условиях, не разрушать их, а превращать в углеродные. Этот же принцип был использован в конце пятидесятых годов прошлого века, когда независимо друг от руга, в СССР, США и Японии развернулись исследования, положившие начало созданию промышленности углеродных волокнистых материалов (УВМ) [2]. За прошедшие годы в качестве исходного сырья для этих целей были испробованы практически все промышленные, а так же ряд специально полученных волокон. Однако большинство из них не удовлетворяло предъявленным требованиям, основные из которых – неплавкость или легкость ее придания, выход готового волокна и его высокие показатели.

Углерод-углеродные композиционные материалы (УУКМ) содержат углеродный армирующий элемент в виде дискретных волокон, непрерывных нитей или жгутов, войлоков, лент, тканей с плоским и объемным плетением, объемных каркасных структур. Волокна располагаются хаотически, одно-, двух- и трехнаправленно, принципиальные схемы расположения волокон в УУКМ представлены на рисунке. 4.

Углеродная матрица объединяет в одно целое армирующие элементы в композите, что позволяет наилучшим образом воспринимать различные внешние нагрузки. Определяющими факторами при выборе материала матрицы являются состав, структура и свойства кокса.

К числу специальных свойств КМУУ 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 (таблица 3, рисунок 5), а также хорошая электропроводность. Основное применение КМУУ находят в изделиях, которые работают при температурах выше 1200° с

Перечисленные преимущества КМУУ позволили успешно их применять в качестве тормозных дисков в авиационных тормозах, соплах ракетных двигателей, в защитных накладках крыльев космических челноков, пресс-формах, тиглях, роторов турбин, труб высокого давления, для подшипников скольжения, уплотнений и т.д. Особо надо отметить повышающийся интерес на использование КМУУ в электротехнике.

Углерод-углеродный конструкционный материал

Углерод-углеродный конструкционный материал типа КИМФ

Углерод-углеродный композиционный материал (УКМ) типа КИМФ на основе плетеного каркаса ортогональной трехмерной структуры из углеродного волокна и пироуглеродной матрицы. Материал обладает уникальными прочностными свойствами, высокой ударной вязкостью. Трибологические и абляционные характеристики композита позволяют использовать его в качестве высокопрочных антифрикционных материалов и в качестве защитных материалов для космической техники. Наряду с традиционным применением УКМ в специальных областях таких как ракетно-космическая, авиационная атомная знергетика материал успешно применяется для изготовления различных элементов фурнитуры высокотемпературных печей, нагревателей, тиглей, форм для разливки цветных металлов и других фасонных изделий.

Физико-механические показатели (средние значения):

№ п/пНаименование показателяЕдиница 
измерения
Значение

1.

Объемная плотность материала г/с    м³ 1,78

2.

Разрушающее напряжении при сжатии кгс/с    м² 1600

3.

Разрушающее напряжение при растяжении кгс/с    м² 350

4.

Разрушающее напряжение при изгибе кгс/с    м² 500

5.

Коэффициент теплопроводности, 
не более (при температуре 50oС)
ккал/м*час.град 7

6.

Удельное электросопротивление Ом*м    м² /м 30

7.

Пористость материала % 8,7

8.

Ударная вязкость КДж/    м² 10

УГКМ

Новый углеволокнистый графитовый композиционный материал УГКМ. Изготавливается на основе пироуглеродной матрицы полученной в результате термоградиентного насыщения графитовой шихты с добавкой из измельченных углеродных волокон. Материалы типа УГКМ являясь хемостойкими и термопрочными, сохраняют высокие физико-механические характеристики в инертной среде до температуры 32000С, обладает повьшенной газонепроницаемостью. Новые композиты отличаются повышенной ударной вязкостью. Как конструкционные материалы общетехнического назначения, предлагаемые композиты применимы в изделиях новой техники химического машиностроения, автомобильной, тракторной, электротехнической промышленности, металлургии. Рекомендуются для изготовления нагревательных элементов стержневой и профильной формы для электропечей, горячих прессформ при штамповке изделий, литейных форм, футеровочных плиток, арматуры термопар погружения, пар трения и других изделий. 

Полученный материал имеет следующие физико-механические показатели:

№ п/пНаименование показателяЕдиница измеренияЗначение

1.

Плотность не менее г/с       м³ 1,68

2.

Прочность на сжатие МПа 125

3.

Прочность на изгиб МПа 33,9

4.

Пористость % 13,0

5.

Удельное электросопротивление мкОм*м 18,0

6.

Температурный коэффициент линейного расширения оК-1 4,5*10-6

Дискретные углеродные волокна

Дискретные углеродные волокна (измельченные волокна) представляют собой резаное волокно с длиной реза от 10±5 мм, либо измельченное волокно с размером фракции от 2 до 20 мм полученное при различных температурах обработки. По отдельному заказу могут поставляться размолотые на шаровой мельнице волокна с размером фракции до 350 мкм. Плотность углеродного волокна составляет не менее 1.64 г/с     м³ . Дискретные волокна используются в качестве армирующих элементов в углерод-углеродных, керамических и полимерных композиционных материалах. Широкий диапазон электропроводности углеродных волокон обусловленный различием температуры обработки позволяет их использовать в качестве наполнителей бумаг специального назначения. Относительно небольшая плотность дискретных (измельченных) волокон, высокая температура эксплуатации, стойкость к термическому удару и стойкость к изнашиванию в различных атмосферных условиях позволяет их использовать во фрикционных материалах нового поколения.
Микроармирование огнеупоров дисперсными углеродными волокнами позволяет создать необходимый запас прочности, сохраняя целостность конструкции, обеспечивая дополнительный комплекс свойств композита: повышение долговечности, снижение усадочной деформации, повышение трешиностойкости и ударной вязкости.

Виды дискретных волокон:

№ п/пНаименованиеПлотность волокна г/с     м³ , не менееРазмеры фракций (длина реза)Количество и тип аппрета, не более

1.

Мелко резаное 1,64 5 — 20 мм 0,5% Алкамон ОС-2

2.

Измельченное 1,64 0,5 — 2 мм 0,1% ПВС

3.

Размолотое 1,64 до 650 мкм 0,1% ПВС

* — ПВС — поливиниловый спирт

Углеволокно нас связало

В прошлом году российский пассажирский самолет МС-21 остался без иностранного углеродного волокна, нужного для создания крыльев. Многие тогда сочли это проблемой. Как выясняется сейчас, это было счастливым стечением обстоятельств. Российское углеволокно заменило иностранный материал и дало МС-21 новые возможности. Издание N + 1 совместно с ГК «Росатом» рассказывает о перспективах проекта.


Что такое композит?

Это любой материал, который состоит из двух и более составляющих. Например, бетон считается композитным материалом, поскольку внутри цемент, песок, щебень и вода. Фанера – тоже, потому что это несколько слоев шпона, проложенные клеевым материалом.

Композиты делятся на две больших группы: наполненные и армированные. Бетон – это наполненный композит, поскольку он состоит из цементной матрицы с «вкраплениями» песка и щебня, а сам материал похож на единую монолитную массу. Фанера – хороший пример армированного композита. В нем легко заметны разные слои, которые спрессованы вместе, чтобы армировать друг друга и в итоге создать единый материал с определенными свойствами (в случае фанеры – с увеличенной прочностью).

Углеволокно – это армированный полимерный композит, который состоит из нескольких слоев тончайших (от 5 до 10 микрометров) углеродных нитей. Этот материал очень прочен и легок, что делает его перспективным для самых разных отраслей промышленности: авиастроения, судостроения, автомобилестроения, строительства, энергетики и других.


Багаж технологий

История российских композитных технологий началась благодаря советскому авиастроению. Стратегическая разработка этих материалов началась еще в 1930-е годы с созданием Всесоюзного научно-исследовательского института авиационных материалов (ВИАМ). Одной из его прорывных разработок была дельта-древесина. Пропитав слои шпона фенол- или крезолформальдегидной смолой, и спрессовав их, инженеры получили материал, который легче и прочнее многих сплавов на основе алюминия. Более того, дельта-древесина была огнестойкой и не покрывалась плесенью. Этот композит массово использовался для производства боевых самолетов во время Второй мировой войны.

Следующий виток развития материалов для самолетостроения был связан не с композитами, а с дюралюминием (дюралью). Это группа сплавов на основе алюминия с добавлением меди, марганца и магния, которые при правильной обработке сохраняли легкость алюминия. При этом становились очень прочным и твердым. Это позволяло использовать дюралюминий для производства каркасов самолетов, скоростных поездов и деталей космических аппаратов. Советские разработки на основе дюралюминия начались параллельно с исследованиями свойств композитов в 1920-1930-х годах. И после Второй мировой получили более широкое распространение.

Впрочем, интерес инженеров и конструкторов к композитам не ослабевал. Космическая программа СССР ускоряла изобретение современных композитных материалов, которые постепенно начали превосходить по свойствам дюралюминий. Впервые композиты были использованы для создания советских космических аппаратов в рамках проектов «Венера-15» и «Венера-16 в 1970-х годах. В 1980-х годах начались эксперименты с новыми техниками применения композитных материалов для аэрокосмической сферы. В частности, начались испытания сетчатой структуры, созданной из композита для усиления прочности и гибкости конструкций.

В то же время композитные материалы разрабатывались и для атомной промышленности СССР: как для научно-исследовательских центрифуг по обогащению урана, так и для ядерно-оружейного комплекса. Таким образом в ГК «Росатом», который с момента своего основания в 2004 году начал модернизировать российскую атомную инфраструктуру, оказались два профильных завода, которые производили композиты еще в советскую эпоху, – это ООО «Аргон» (завод оборонно-промышленного комплекса был основан в 1976 году в городе Балаково Саратовской области) и Завод углеродных композитных материалов (ведет свою историю с 1982 года, когда на Челябинском электродном заводе начали производить углепластик).

Чтобы узнать больше об атомной промышленности — переходите на www.atom75.ru.

«Росатом» начал целенаправленно развивать производство композитных материалов сравнительно недавно – с 2010-х годов. Тогда стало очевидно, что эти технологии нужны не только для промышленного и оборонного комплексов: спрос на композиты рос в гражданской сфере.

Углепластик позволяет улучшить характеристики спортивного оборудования. Он применяется в архитектуре, дизайне интерьеров, а также в медицине: для производства прочных и легких протезов и медицинских имплантатов, которые гораздо приятнее на ощупь, чем, например, металлические.

Композиты ближе к телу

Эндопротезы костей из современных керамических и углеродных полимеров считаются одними из лучших по биосовместимости. Они хорошо приживаются внутри тела и со временем прорастают живой костной тканью. Однако и эти свойства можно улучшить.

Еще одно перспективное направление композитных технологий – создание «умных» материалов, которые смогут копировать природные механизмы адаптации и менять свои свойства в определенных условиях. Например, «залечивать» повреждения с помощью внутренних капсул с полимером, который затвердевает на солнечном свете, или подстраиваться под костную ткань при установке имплантата.

За последнее десятилетие «Росатом» построил завод «Алабуга-Волокно» по переработке углеродного волокна в Татарстане, объединил профильные технопарки и производственные площадки (в том числе АО «Препрег-СКМ» в Москве и Дубне) по всей России в дивизион «Перспективные материалы и технологии». А также создал композитный дивизион UMATEХ, который занимается производством композитов и развитием этой сферы на отечественном рынке.


Углеволокно в самолете МС-21

Для создания российского пассажирского самолета МС-21 нужно углеродное волокно – композитный материала, критически важный для создания крыльев среднемагистрального пассажирского лайнера нового поколения.

Пассажирский лайнер МС-21
  • Узкофюзеляжный среднемагистральный лайнер
  • Длина 42,2 метра
  • Размах крыла 35,9 метра
  • Ширина 4,06 метра
  • 150-210 пассажиров на борту
  • Дальность полета более 5 тысяч километров
  • Скорость полета около 870 километров в час
  • Панели крыла полностью сделаны из углеродного волокна

У ОАК был серьезный технологический задел, который позволил быстро наладить поставки отечественного углепластика для сбора крыльев МС-21. Производитель лайнера, корпорация «Иркут» (входит в состав ОАК), уже пять лет вела разработки композитных материалов – импортных аналогов.

Лайнер проектировался как первый самолет своего класса, крыло которого полностью сделано из углепластика. Это позволило сделать лайнер не только легче, но также экономнее и безопаснее. Отказ от использования композитных материалов лишал проект МС-21 уникальности и, соответственно, смысла.

Раскройка углеткани

«Полимерные композиты – углепластики и стеклопластики – отличаются более высокими удельными свойствами, например, отношением прочности к плотности, – рассказал Егор Данилов, заместитель начальника лаборатории синтеза и исследования новых материалов «НИИграфита» ГК «Росатом». – С начала 2000-х они захватывают авиапромышленность. Если у самолета Airbus A320 порядка 32 процентов летной массы составляли композиты, то у Airbus A380 – уже 52 процента».


К аэродинамическому совершенству

Производство углепластика для крыла МС-21 может показать потенциал обновленной технологической инфраструктуры по производству композитов.

Процесс создания крыла самолета из композитных материалов состоит из нескольких стадий:

Автоматическая выкладка изделия из композитрных материалов,
Процесс вакуумной инфузии,
Зачистка изделия,
Проведение неразрушающего контроля,
Механическая обработка,
Проведение контроля геометрии,
Покраска,
Процесс модульной сборки.

В итоге получаются детали крыла черного цвета, подлежащего покраске которые выдерживают такую же нагрузку, что и металлические сплавы, но легче их.

Выкладывание панели крыла на оснастке

Эти свойства особенно важны для удлинения крыла – важнейшего параметра для самолета. Оно непосредственно связано с аэродинамическим совершенством, летно-техническими и экономическими характеристиками самолета.

Что такое удлинение крыла?

Это отношение размаха крыла к его средней хорде (сильно упрощая – к ширине). То есть чем длиннее и уже крыло, тем выше его несущие способности и меньше аэродинамическое сопротивление.

Удлинение крыла самолетов прошлого поколения составляет около 8-9. У современных лайнеров – 10-10,5. У МС-21 этот параметр достигает 11,5.

Не стоит путать термин «удлинение крыла» с длиной крыла. Дело в том, что длина крыла меняться не может, потому что она ограничена стандартами, принятыми для аэродромной инфраструктуры (ангары, рулежные дорожки и т.п.). В этом и заключается сложность технологической задачи для авиаконструкторов, которые с помощью композитных материалов стремятся сделать крыло прочнее, легче и совершеннее с аэродинамической точки зрения.

«Удельные прочностные характеристики металлов не позволяют сделать крыло длинным, узким, прочным и легким одновременно. Удельная прочность углеродных нитей существенно выше, чем у авиационных металлов – стали, алюминия. Соответственно, полимерные композиционные материалы позволяют заметно увеличить удлинение крыла по сравнению с металлическими конструкциями. Именно это преимущество углепластиков реализуется на самолете МС-21», – рассказал N + 1 источник, знакомый с процессом создания лайнера.

«Композитные элементы крыла более устойчивы к распространению повреждений: трещины, которые могут появиться в ходе эксплуатации, не распространяются дальше по детали. Это свойство увеличивает ресурс использования углепластиковых элементов. А еще материал позволяет экономить расход топлива, по расчетным данным, на 6-7 процентов.

Ноу-хау: вакуумная инфузия

Для снижения стоимости МС-21 «АэроКомпозит» применил технологию вакуумной инфузии, на основе которой производятся панели и лонжероны крыла, а также панели центроплана. Новый процесс позволил отказаться от сложного и дорогого автоклава, цена которого растет в геометрической прогрессии от размеров деталей. До сих пор технологию вакуумной инфузии не использовали нигде в мире для изготовления изделий такого большого размера.

Легкость деталей из углеволокна позволяет установить на борт больше оборудования, которое обеспечивает безопасность полета пассажирского лайнера. Это свойство также повышает конкурентоспособность МС-21 на международном рынке.

В том, что касается композитов, ситуация с американскими санкциями помогла вывести российские технологии на новый уровень. В 2017 году рынок углеродного волокна в России не превышал 1 процента от мирового. Руководство страны запланировало как минимум удвоить этот показатель к 2025 году. Согласно прогнозам Научно-исследовательского института технико-экономических исследований в химическом комплексе, к этому же времени мировой объем рынка композитов превысит 115 миллиардов долларов.

Егор Авдеев

Теплоизоляционные изделия из углерод-углеродных композиционных материалов марки УКМТ

 Низкоплотный углерод-углеродный композиционный материал применяется для изготовления теплоизолирующей экранировки

УКМТ-1      На основе углевойлока и углеткани, отформованных по отдельности либо в комбинациях в виде слоистых структур, уплот-ненных пироуглеродом. 
      Слоистая структура, благодаря чередованию слоев ткани и войлока, придает дополнительную прочность и при этом не увеличивает теплопро-водность. 
      Материалы выпускаются различной формы с плотностью 0,15-1,0 г/см3. 
УКМТ-2      Производится на основе углетканей, уплотненных пироугле- родом.
Толщина, мм:
0,2 - 0,3
0,5 - 0,7
1,8 - 2,2
Поверхн. плотность, г/м2:
190 - 200
370 - 400
1350 - 1450
      Ширина до 1000 мм.
      Степень пироуплотнения зависит от требований заказа.
      Применение: теплоизоляция и нагревательные элементы. 

Поверхность композита можно дополнительно ламинировать фольгой из термо-расширенного графита ТРГ для увеличения стойкости в условиях агрессивной среды.

Изделия из конструкционных углерод-углеродных композиционных материалов марки УКМК

Марка Матрица Плотность,
г/см3:
Макс. размер, мм Применение
УКМК-1
плиты
трубы

ткань
ткань
1,0-1,3
1000 x 700 x3 0
D1100 x Н1000 x 30

Экраны, нагреватели, установочные и крепежные изделия
УКМК-2 шнур 1,0-1,3 D1000 x Н1000 Сетки для поддержки тиглей, элементы армирования, нагреватели
УКМК-3 графит 1,7-1,8 D1000 x Н1000 Нагреватели, токоподводы, крепеж, установочные изделия и т.д.
УКМК-4 пирографит 2,0-2,2 150 x 500 x 10 Специальные изделия
УКМК-5 ткань, шнур 1,9-2,1 D400 x Н700 x 20 Уплотненные пирографитом тигли для работы с агрессивными материалами

Поверхность композита можно дополнительно ламинировать фольгой из термо-расширенного графита ТРГ или защитить карбидным покрытием (SiC) для снижения ад-сорбционной способности и газопроницаемости поверхностей с целью увеличения срока службы в агрессивной среде и при высоких температурах.

 

 

 

 

Углерод-углеродные композиты | ПО США - углерод / углеродные композиты

ЗАКАЗЫВАЕМЫЕ КРЕПЕЖИ И АППАРАТНЫЕ ИЗДЕЛИЯ

Углерод-углерод используется для механических креплений при экстремально высоких температурах, включая болты, гайки и шпильки (например, по стандарту CFC от M6 до M20).

ПОЛЬЗОВАТЕЛЬСКИЕ ПОДНОСЫ, СТОЙКИ И СЕТКИ

Подносы, стеллажи, полки, решетки и т. Д. Для термообработки, специально разработанные в соответствии с вашими потребностями. Легкий, высокопрочный, термостойкий, не деформируется.

ИНСТРУМЕНТЫ ДЛЯ ЗАЖИГАНИЯ НА ЗАКАЗ

Изготовленные на заказ кондукторы и приспособления C / C для создания продуктов в областях пайки, диффузионной сварки и термообработки металлов. Отсутствие термической деформации и отличные характеристики при высоких температурах.

  • Пружина зажимного приспособления
  • Пружина зажимного приспособления
  • Пружина зажимного приспособления

ДЕТАЛИ И КОМПОНЕНТЫ ПЕЧИ

По сравнению с обычными печными материалами, такими как металл, графит или керамика, углерод-углерод отличается высокой прочностью и легкостью, что в свою очередь приводит к значительному увеличению производительности.

ПЛИТЫ И ЛИСТЫ-НОСИТЕЛИ

Carbon-Carbon используется для транспортировки деталей и материала подложки между процессами и обладает превосходной стабильностью размеров, теплопроводностью и долговечностью. Его можно использовать в чистом помещении, нанеся поверхностный слой с пылезащитным покрытием.

  • Несущая пластина LCD
  • Обработанный лист
  • Обработанный лист
  • Пластина

ФРИКЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ

В фрикционных материалах

CFC используются уникальные характеристики фрикционной и термостойкости углерод-углеродных композитов.Особая структурная составляющая этой категории достигается в производстве мелких деталей, таких как тормоза, сцепления и промышленные подшипники.

  • Тормозной диск
  • Диск сцепления
  • Раздвижная доска
.

углеродно-углеродных композитных материалов, углеродно-углеродные композитные материалы Поставщики и производители на Alibaba.com

1,00–10,00 долл. США / рулон

100 рулонов (минимальный заказ)

Ad

Прочная ткань из черного углеродного волокна хорошего качества Характеристики Подробнее о продукте 1.Style Roll 2.Feature Сбор пыли, Большой сбор пыли, Высокое качество, Высокая эффективность 3.Материал Активированный уголь 4. Размер OEM, настройка приветствуется 5. Цвет черный 6. Рамка без 7. Используется для электронных, биологических фармацевтических, Механический инструмент, нефтехимия, легкая промышленность 8.Эффективность 35% -95%, G3, G4, F5-F8 9. Эффективность улавливания 40-60% частиц размером 5,0 мкм, 60-95% частиц размером 1,0 мкм 10 .Упаковка картонных коробок 11.Вес в зависимости от размера и материала, толщины Информация о покупке 12.Минимальный заказ 100 шт. 13. Время выборки 2-3 рабочих дня 14. Время выполнения заказа через 15-25 дней после подтверждения заказа и на основе КОЛ-ВО 15. Оплата Общие беру Т / Т. другие платежи также могут быть обсуждены 16. Цена за единицу FOB Шанхай, (также может быть CIF Desitination) 17. Торговая марка Booguan 18.сертификация ISO9001 Продукты показывают Спецификацию Спецификация 4,5-5,0 мм Значение сорбции йода & amp; ge; 850 мг / г Определение адсорбции тетрахлорметана & amp; ge; 50% адсорбция бензола & amp; ge; 35% Плотность загрузки 500-550 г % Механическая площадь & amp; ge; 90% -95% Удельная поверхность 850-900 м2 / г Общий объем пор 0,8 см3 / г, мы принимаем нестандартные настольные фильтры для заказа.

.

углеродных углеродных материалов и композитов, углеродных углеродных материалов и композитов Поставщики и производители на Alibaba.com

Хорошая качественная прочная черная ткань из углеродного волокна. 3.Материал Активированный уголь 4. Размер OEM, настройка приветствуется 5. Цвет черный 6. Рамка без 7. Используется для электронного, биологического фармацевтического, механического инструмента, нефтехимической, легкой промышленности 8. Эффективность 35% -95%, G3, G4 , F5-F8 9.Эффективность улавливания 40-60% частиц размером 5,0 мкм, 60-95% частиц размером 1,0 мкм 10. Картонные коробки 11. Вес В зависимости от размера и материала, толщины Информация о покупке 12. Минимальный заказ 100 штук 13. Время выборки 2- 3 рабочих дня 14. Время выполнения заказа через 15-25 дней после подтверждения заказа и в зависимости от КОЛИЧЕСТВА 15. Платежи обычно принимают T / T. другие платежи также могут быть обсуждены 16.Цена за единицу FOB Шанхай, (также может быть CIF Desitination) 17.Бренд Booguan 18. Сертификация ISO9001 Продукты показывают Спецификацию Спецификации 4.5-5,0 мм Значение сорбции йода & ge; 850 мг / г Определение адсорбции тетрахлорметана & ge; Адсорбция 50% бензола & ge; 35% Плотность нагрузки 500-550 г Влага & le; 5% Механическая площадь & ge; 90% -95% Удельная поверхность 850 -900м2 / г Общий объем пор 0,8 см3 / г, мы принимаем нестандартные настольные фильтры для заказа.

.

Углеродный композитный материал, армированный углеродным волокном, Углеродный композитный материал, армированный углеродным волокном Поставщики и производители на Alibaba.com

1,00–10,00 долл. США / рулон

100 рулонов (минимальный заказ)

Ad

Прочное черное углеродное волокно хорошего качества ткань Характеристика Детали продукта 1.Style Roll 2.Feature Сбор пыли, Большой сбор пыли, Высокое качество, Высокая эффективность 3. Материал Активированный уголь 4. Размер OEM, настройка приветствуется 5. Цвет черный 6.Рамка Non 7. Используется для электронного, биологического фармацевтического, механического оборудования, нефтехимии, легкой промышленности 8. Эффективность 35% -95%, G3, G4, F5-F8 9. Эффективность захвата 40-60% & amp; ge; 5.0 & amp; микрочастицы, 60-95% и 1,0 & amp; микрочастицы 10. Упаковочные коробки 11. Вес В зависимости от размера и материала, толщины Информация о покупке 12. Минимальный заказ 100 шт. 13. Время выборки 2-3 рабочих дня 14. Время выполнения заказа через 15-25 дней после подтверждения заказа и в зависимости от КОЛИЧЕСТВА 15. Платежи обычно принимают T / T.другие платежи также могут быть обсуждены 16. Цена за единицу FOB Шанхай, (также может быть CIF Desitination) 17. Марка Booguan 18. Сертификация ISO9001 Продукты показывают Спецификацию Спецификация 4,5-5,0 мм Значение сорбции йода & amp; ge; 850 мг / г Определение адсорбции тетрахлорметана & amp; ge; 50% адсорбция бензола & amp; ge; 35% Плотность нагрузки 500-550 г Влага & amp; le; 5% Механическая площадь & amp; ge; 90% -95% Удельная поверхность 850-900 м2 / г Общий объем пор 0,8 см3 / г мы принимаем нестандартные настольные фильтры для заказа товаров.

.Углеродно-углеродный композит

, углеродно-углеродный композит Поставщики и производители на Alibaba.com

Хорошая качественная прочная ткань из черного углеродного волокна Характеристика Подробная информация о продукте 1. Стиль рулона 2. Особенность Сбор пыли, Большой сбор пыли, Высокое качество, Высокая эффективность 3. Активированный материал углерод 4. размер OEM, настройка приветствуется 5. черный цвет 6. рамка не 7. используется для электронного, биологического фармацевтического, механического инструмента, нефтехимической, легкой промышленности 8. эффективность 35% -95%, G3, G4, F5-F8 9. эффективность захвата 40-60%; 5.Частицы 0 мкм, 60-95% частиц размером 1,0 мкм 10. Картонные коробки 11. Вес В зависимости от размера и материала, толщины Информация о покупке 12. Минимальный заказ 100 шт. 13. Время выборки 2-3 Рабочие дни 14. Время выполнения заказа через 15-25 дней после подтверждения заказа и в зависимости от КОЛИЧЕСТВА 15. Платежи обычно принимают T / T. другие платежи также могут быть обсуждены 16. Цена за единицу FOB Шанхай, (также может CIF Desitination) 17. Марка Booguan 18. Сертификация ISO9001 Продукты показывают Спецификацию Спецификация 4,5-5,0 мм Значение сорбции йода & amp; ge; 850 мг / г Определение адсорбции тетрахлорметана & amp; ge; 50% адсорбция бензола & amp; ge; 35% Плотность загрузки 500-550 г Влага & amp; le; 5% Механическая площадь & amp; ge; 90% -95% Удельная поверхность 850-900 м2 / г Общий объем пор 0.8см3 / г мы принимаем нестандартные настольные фильтры на заказ.

.

Высокопрочные композитные материалы из углеродного волокна для профессионального использования

1,00–10,00 долларов США / рулон

100 рулонов (минимальный заказ)

Ad

Прочная прочная ткань из черного углеродного волокна хорошего качества Характеристики продукта 1.Style Roll 2. Особенность Сбор пыли, Большой сбор пыли, Высокое качество, Высокая эффективность 3. Материал Активированный уголь 4. Размер OEM, настройка приветствуется 5. Цвет Черный 6. Рамка Без 7. Используется для электронных, биологических, фармацевтических, механических инструментов, нефтехимии, света промышленность 8.Эффективность 35% -95%, G3, G4, F5-F8 9. Эффективность улавливания 40-60% частиц размером 5,0 мкм, 60-95% частиц размером 1,0 мкм 10 .Упаковка картонных коробок 11.Вес в зависимости от размера и материала, толщины Информация о покупке 12.Минимальный заказ 100 шт. 13. Время выборки 2-3 рабочих дня 14. Время выполнения заказа через 15-25 дней после подтверждения заказа и на основе КОЛ-ВО 15. Оплата Общие беру Т / Т. другие платежи также могут быть обсуждены 16. Цена за единицу FOB Шанхай, (также может быть CIF Desitination) 17. Торговая марка Booguan 18.сертификация ISO9001 Продукты показывают Спецификацию Спецификация 4,5-5,0 мм Значение сорбции йода & amp; ge; 850 мг / г Определение адсорбции тетрахлорметана & amp; ge; 50% адсорбция бензола & amp; ge; 35% Плотность загрузки 500-550 г % Механическая площадь & amp; ge; 90% -95% Удельная поверхность 850-900 м2 / г Общий объем пор 0,8 см3 / г, мы принимаем нестандартные настольные фильтры для заказа.

.

Смотрите также

ООО ЛАНДЕФ © 2009 – 2020
105187, Москва, ул. Вольная д. 39, 4 этаж.
Карта сайта, XML.