Способ получения фрикционных изделий из углерод-углеродных материалов

(51) Б С 08 С 01 В 31 02 ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ И 384 Мгй Г турн ПА ТУ слоевкон вМ СР С Комитет Российской Федерации о патентам и товарным знакам(71) Государственный научно-исследовательский институт конструкционных материалов на основе графита(72) Кулаков В.ВКенигфест А.МСоккер АГ.; Расторгуева И.В,; Гуськова СЛ.; Демин АВ. (73) Государственный научно-исследовательский институт конструкционных материалов на основе графита(64) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ФРИКЦИОННЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ УГЛЕРОД-УГЛЕРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ(57) Сущность изобретения: способ включает формирование пакета из чередующихся слоев тканых структур из непрерывных углеродных волокон идискретных элементарных углеродных волосмеси с порошком пека, периодическое внедрение дискретных элементарных углеродных волокон в тканую структуру путем принудительной фильтрации водной суспензии указанных волокон совместно с порошком пека через каждый слой тканых структур, сушку пакета горячее прессование с охлаждением в пресс-форме и обжиг заготовки, пропитку пеком и повторный обжиг заготовки, ее высокотемпературную термообработку, механическую обработку и насыщение пироуглеродом, при этом слои тканых структур вводят в виде водопроницаемого пекового препарата, име 1 ощего пористость не менее 30% при размерах пор не менее 0,02 мм, после получения пакета слоев производят его предварительное сжатие в 2,5 - 3 раза при комнатной температуре в направлении, перпендикулярном к слоям, и сушку в зафиксированном сжатом состоянии, а обжиг осуществляют в условиях обеспечивающих увеличение размеров в том ке направлении на 1,5-5,0%. 1 табл.Изобретение относится к области производства композиционных углерод-углеродных материалов. Оно может быть использовано при изготовлении изделий фрикционного назначения, в частности фрикционных дисков для авиационных тормазов,Из уровня техники известны способы изготовления изделий из углерод-углеродных материалов, заключающиеся в формировании пакета из слоев углеродной ткани и его. пропитке органическим связующим, которое затем с помощью термической обработки(обжига) преобразует в углерод, или насыщении пироуглеродам. К числу недостатков этих способов является низкая степень армирования, а также низкая межслаевая прочность, следствием которых . является неудовлетворительная работоспособность фрикционных изделий.Известен способ получения фрикционных изделий из углерод-углеродных материалов, позволяющий повысить степень армиравания и межслоевую прочность за счет внедрения в слои ткани ориентированных дискретных элементарных углеродных волокон, При этом формируют пакет из чередующихся слоев тканых структур из непрерывных углеродных волокон и слоев дискретных элементарных углеродных волокон в смеси с.порашком пека, осуществляют внедрение дискретных элементарных волокон путем периодической принудительной фильтрации их суспензии в воде совместно с порошком пека через каждый слой тканых структур, Затем проводят сушку сформированного пакета, горячее прессо. вание заготовки с ее охлаждением в прессформе, обжиг заготовки, пропитку пеком и повторный обжиг, высокатемпературную термическую обработку, механическую обработку и насыщение пироуглеродом. Материалу, полученному укаэанным способом, присущи неравномерное распределение связующего и, как следствие, неоднородная плотность, Кроме того, различным образом ориентированные волокна (в ткани и дискретные), обладающие разными механическими и термическими свойствами, обусловливают возникновение неоднородных полей напряжений в процессе получения материала (в особенности, при обжиге, сопровождающемся значительными изменениями состава связующего) и появление пор, трещин и других дефектов. Эти обстоятельства являются причиной низкой прочности и стабильности прочностных и фрикционных свойств материала.Изобретением решается задача повышения стабильности прочностных и фрикционно-износных свойств материала. Решение ее обеспечивается тем, что в указанномспособе получения фрикционных изделийиз углерод-углеродных материалов при фор 5 миравании пакета слои тканых структур вводят в виде водопроницаемого пековогопрепрега, имеющего паристость не менее30 опри размерах пор не менее 0,02 мм,после получения пакета слоев производят"0 его предварительное сжатие в 2,5 - 3 разапри комнатной температуре в направлении,перпендикулярном к слоям, и сушку в зафиксированном сжатом состоянии, а обжигосуществляют в условиях, обеспечивают15 увеличение размеров в том же направлениина 1,5-5,0,Использование пекового препрега наоснове тканых структур делает возможнымполучение материала с равномерным рас 20 пределением плотности по его обьему, что вконечном итоге приводит к повышению егопрочности и стабильности свойств, Вместес тем, водопроницаемость препрега при егопаристасти не менее 30 и размерах пор не25 менее 0,02 мм создает условия для эффективной фильтрации водной суспензии, а также внедрения в тканую структурудостаточного количества дискретных волокон, имеющих, как правило, диаметр около30 0,01 мм, для обеспечения прочной связимежду слоями, содержащими тканые структуры и дискретные волокна..При пористости менее 30% и размерахпор менее 0,02 мм невозможно создать ин 35 тенсивный поток жидкости через препрег,принуждающий дискретные волокна к внедрению в тканую структуру.Прессование заготовки необходимопроводить при отсутствии в пакете влаги,40 поскольку при повышенной температурепрессования возможно окисление пека,обусловливающее снижение свойств материала. Так как при сушке пакета может происходить выдавливание волокон из пор45 препрега под воздействием паров воды, пакет предварительно сжимают в направлении, перпендикулярном к слоям, тем самымфиксируя положение волокон, внедренныхв поры в процессе сушки. Кроме того, пред 50 варительнае сжатие является подготовительной операцией к прессованиютребующей меньших нагрузок благодарясмазывающему действию остатков воды.Она также способствует дополнительному55 удалению воды и сокращению продолжительности сушки. Указанные эффекты достигаатся в полной мере при сжатии пакетане менее, чем в 2,5 раза, относительно егоисходной высоты, Сжатие пакета более, чемв 3 раза, приводит к разрушению тканевых20 25 30 35 40 45 50 55 слоев и в конечном итоге снижению прочности материала,С целью релаксации возникающих напряжений при обжиге после прессования создают условия, обеспечивающие увеличе ние размера заготовки в направлении, перпендикулярном к слоям, на 1,5-5,0 ф. При меньшей величине относительного увеличения размеров в процессе обжига вследст- вие большого. уровня упругих напряжений и появления трещин снижается прочность и износостойкость материала, при большей величине происходит коробление заготовки, обусловливающее недопустимые отклонения конечного иэделия от заданных размеров.Применение описанного способа обеспечивает получение фрикционных изделий из углерод-углеродных материалов.с оптимальным сочетанием прочности, износостойкости и стабильности фрикционных характеристик, что иллюстрируется приведенными ниже примерами.Способ реализован следующим образом.Фрикционные диски наружным и внутренним диаметрами соответственно 490 и 220 мм и толщиной 30 мм получали с использованием сатиновой углеродной ткани на основе вискозы ТГНМ (ТУ 48-20-19-77) - тип тканой структуры 1 - и дискретных углеродных волокон на основе полиакрилнитрила ВПРС (ТУ 48-20-23-83), а также каменноугольный пек с температурой размягчения 70 С (ГОСТ 10200-83). Предварительно иэ ткани изготавливали пековый препрегс помощью нанесения на его поверхность порошка пека с размерами частиц менее 0,2 мм в количестве 80-300 гам и термообработки при 130-240 С продолжительностью 1-8 мин, Те или иные характеристики пористости получали с помощью регулирования указанных параметров, Из препрега вырезали кольцевидные отрезки размерами, соответствующими диаметрам диска.Пакет из чередующихся слоев препрега и смеси дискретных волокон с пеком получали в металлической гильзе путем последовательного осаждения на кол ьцевидные отрезки п реп рега суспензии дискретных волокон ВПР - 19 С и порошка пека в воде, приготовленной в лопастном гидросмесителе (по 700 г волокна и пека на 100 л воды для получения каждого слоя), После осаждения каждого слоя дискретных волокон осуществляли фильтрацию суспенэии через слой препрега с помощью вакуумного насоса. После полного набора пакета его подвергали сжатию путем приложения давления в осевом направлении. Сжатый пакет, помещенный между металлическими пластинами, высушивали при 90 С в течение 70 ч, Из высушенного пакета в пресс-форме прессо вали кольцевидную. заготовку, которую затем обжигали при 1200 С в течение 96 ч в приспособлениитипа струбцины,обеспечивающем заданное увеличение размеров за счет регулирования свободного хода верх ней плиты приспособления с учетом коэффициента термического расширения материала приспособления. Заготовку подвергали пропитке пеком в автоклаве и повторному свободному обжигу с целью 15 повышения ее плотности, термической обработке в вакууме при 2000 С в течение 1 ч,механической обработке для получения требуемых размеров фрикционных дисков и насыщению пироуглеродом в среде природного газа при 1000 С в течение 96 ч. Конкретные технологические параметры описанного способа приведены в примерах 1-9 таблицы,П р и м е р 11. Пековый препрег получали аналогичным приведенному ранее способом из саржевой ткани, изготовленной из углеродного жгута ВМНна основе полиакрилнитрила (ТУ 48-20 - 122-84) - тип тканой структуры П. Набор пакета и изготовление диска производили с использованием указанных выше дискретных волокон и пека по технологии, описанной впримерах 1-9.П р и м е р 13. При получении препрегаиспольэовали кольцевидное плетениеизготовленное из углеродного жгута на основе полиакрилнитрила ВМН - 4 и содержащее углеродные нити, расположенные в окружном и радиальном направлении (тип тканой структуры 1 П). Набор пакета и изготовление диска производили по технологии, описанной в примерах 1 - 9. Определяли значения предела прочности при сжатии и сдвиге образцов, вырезанных из дисков, Фрикционные испытания образцов проводили на машине трения ИМпри следующих условиях нагружения; начальная скорость вращения подвижного образца - 20 м/с, момент инерции маховых масс - 0,505 кг м, удельное давгление - 0,6 МПа, при этом определяли значения коэффициента трения и линейного износа за 20 торможений, В качестве характеристики стабильности прочностных и фрикционно-износных свойств использовали величину коэффициента вариации предела прочности при сжатии, линейного износа и коэффициента трения. Полученные значения в сопоставлении с теми же характери(56) Патент США М 3956548,кл, В 29 С 25/00,1976.Патент США М 3991248,кл, В 29 С 25/00, 1976.Патент США В 4318955,кл. В 29 С 25/00, 1982; Способ получения фрикционных изделий из углерод-углеродных материалов Показатели 1 330,02 0,015 0,040,03 0,02 0,02 0,02 2,7 2,7 3.0 2,7 2,5 2,4 3,1 3,0 3,0 3,0 5,0 1,5 3,0 3,0 106.4,6 97 5,2 117 8,5 124 9,1 112 8,4 109 5,8 71 6,8 53 48 49 52 48 53 56 0,35 0,33 0,35 0,34 0,35 0,34 0,36 6,4 7,3 4,9 7,2 8,9 5,1 6,5 4,9 6,2 9,4 9,4 8,414,3 94 6,3 4,8 6,2 11,19,2 8,1 5,4 стиками прототипа (примеры 10, 12, 14) представлены в таблице.Приведенные примеры свидетельствуют о том, что прочностные показатели материалов, полученных на основе различных 5 тканых структур в соответствии с предлага- . емым способом при условии соблюдения заявляемых технологических параметров (примеры 1, 4, 5, 1.1 и 13), в 1,5-2 раза пре.- вышают характеристики, материалов, пол-. 10 ученных по способу-прототипу (примеры 10, 12 и 14); а значения коэффициента вариации прочности и фрикционно-износных свойств у этих материалов в 2,5-6 раз меньше, чем у прототипа. В случае, когда пористость 15 препрега и размеры пор меньше указанных в формуле (примеры 2 и 3), вследствие недостаточного внедрения дискретный волокон в поры тканой структуры материал имеет низкую прочность при сдвиге. Эффект внед рения волокон также выражен слабее, и материал имеет низкую прочность при сдвиге,Тип тканой структуры Пористость,Миним. размер пор, мм Степень сжатия пакета Допускаемое увеличение разме. ра заготовки при обжиге,Предел прочности,МПа при сжатии при сдвиге Линейные износ за 20 торможений,мкм Коэффициент тре. ния Коэффициент вариации износа коэффициента трения предел прочности при сжатииесли недостаточна степень сжатия пакета (пример 6), При чрезмерно сильном сжатии пакета (пример 7) прочность при сжатии уменьшается из-за разрушении слоев, а при малой величине допускаемой деформации заготовки при обжиге (пример 8) - вследствие высокого уровня остаточных напряжений и возникновения трещин. Большее, чем заявленное, увеличение размеров заготовки:в процессе обжига (пример 9) обеспечивает достаточно высокий уровень и стабильность свойств, однако приводит к значительному короблению заготовки, что не позволяет изготовить диск требуемых размеров.,0,36 ации 5,1 4,6 29 24 7,8,7,2 31 ния 21 7,2 4,7 22 7,2 5,4 21,4 38 34 5,9 6,1 31 8,3 Показатели Тип тканой струк Пористость,% Миним. размер. Степень сжатия паДопускаемоеувеличение размера заготовки при Предел прочности,Линейные износ за 20 торможений,Коэффициент треКоэффициент вариизноса коэффициента тре предел прочности при сжатии . Продолжение таблицы2002763 Составитель А,КенигфестТехред М,Моргентал Корректор М,Куль Редактор Т.Никольская Тираж Подписное НПО "Поиск"Роспатента113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 Заказ 3214 Производственно-издательский комбинат "Патент",г. Ужгород, ул, Гагарина, 101 Ф ар мула изобретен и я. СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ФРИКЦИОННЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ УГЛЕРОД-УГЛЕРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ, включающий формирование пакета из чередующихся слоев тканых структур из непрерывных углеродных волокон и слоев дискретных элементарных углеродных волокон в смеси с порошком пека периодическим внедрением дискретных элементарных углеродных волокон в тканую структуру путем принудительной фильтрации водной суспензии этих волокон совместно с порошком пека через каждый слой тканых структур,. сушку пакета, горячее нрессование с охлаждением в пресс-форме и обжиг заготовки, пропитку пеком и повторный обжиг заготовки, ее высокотемпературную термообработку, механическую обработку и насыщение пироуглеродом, отличающийся тем, что при формировании пакета слои тканых структур вводят в виде водопроницаемого пеко- .вого препрега, имеющего пористость не менее 30 при размерах пор не менее 10 0,02 мм, после получения пакета слоев. производят его предварительное сжатие в2,5 - 3 раза при комнатной температуре в направлении, перпендикулярном к слоям, и сушку в зафиксированном сжатом состо янии и обжиг осуществляют в условиях,обеспечивающих увеличение размеров в том же направлении на 1,5 - 5,0.