Углеродный НаноКомпозит

СКАЧАТЬ БУКЛЕТ В PDF

Углеродный НаноКомпозит

О материале.

Углеродный нанокомпозит (УНК)  - пироуглеродный материал, получаемый путем совместного пиролиза углеводородов с галогенидами тугоплавких металлов (бор треххлористый). Наличие в структуре материала карбидов бора обеспечивает высокие физико-механические свойства. УНК - консолидированный наноматериал с размерами кристаллитов турбостратного углерода (областей когерентного рассеяния рентгеновских лучей) в среднем 10 нм на 10нм. При таком размере дисперсной частицы - меньшем, чем некоторый критический размер, достигается интенсивная агломерация частиц за счет высокой концентрации нескомпенсированных связей атомов углерода внешних слоев, а также за счет образования прочных связей с гетероатомами, введенными в состав исходных реагентов. Описываемый эффект не может наблюдаться на частицах большей дисперсности, только на наночастицах. УНК, сформированный из наночастиц, многократно превосходит материалы аналогичного химического состава, полученные по традиционным технологиям. УНК имеют однородную, изотропную, мелкокристаллическую структуру. Они непроницаемы для жидкостей, коэффициент газопроницаемости воздуха при нормальных условиях составляет менее 1х10-6 см2/с, что на 4 - 6 порядков меньше газопроницаемости обычных углеродных материалов. Свойства УНК до настоящего времени превосходят мировой уровень. Ученые США считали, что создать такой материал невозможно.

Физико-механические свойства. 

В таблице 1 приведены результаты многолетних исследований свойств материала. Предел прочности при растяжении, сжатии и изгибе, как и у других углеродных материалов, увеличивается при повышении температуры. В диапазоне температур 0 – 16000С предел прочности при растяжении материала в 3 – 4 раза выше, чем у лучших зарубежных конструкционных графитов. При температуре 16000С прочность УНК в 5 раз превышает предел прочности молибдена. По механической прочности при высоких температурах УНК также на порядок превосходит искусственные графиты.

Катодное распыление.

Коэффициент катодного распыления УНК протонами с энергией 10 кэВ при температуре 600 – 7000С в 14 – 17 раз меньше, чем у особо чистого графита, стеклоуглерода, пиролитического графита и у графитовой ткани WCA производства США. Максимальное значение коэффициента распыления УНК ионами дейтерия – 0,027 ат/ион при 700 эВ. 

Химическая стойкость.

Химическая стойкость УНК в 20-300 раз более стоек к окислению при 600-9000С, чем искусственные графиты. УНК практически не реагирует с кислотами и их смесями, не взаимодействует с расплавами фторидов, сульфидов, теллуридов, металлов III группы Периодической системы. Допустимая рабочая температура УНК в вакууме, нейтральной и восстановительной среде более 2000С.  

Скорость окисления на воздухе:

- при температуре 600 С  -  7,5 х 10-6 г/см2*мин.

- при температуре 900 С  -  5 х 10-4 г/см2*мин.  

Вакуумные свойства.

Высокая плотность, низкая пористость и химическая стойкость определяют хорошие вакуумные свойства УНК - низкое газосодержание и быстрое обезгаживание в вакууме при нагреве до 8000С. При нагреве в вакууме основными газами, выделяющимися из УНК, являются  (по уменьшению содержания) окись углерода и азот, углекислый газ, водород, метан.

Таблица 2

Изменение свойств УНК при различной температуре испытаний.

Жаростойкость.

Жаростойкость УНК значительно выше жаростойкости углеродных материалов. В интервале температур 600 – 9000С жаростойкость УНК в 20 - 300 раз выше жаростойкости графита. 

УНК без охлаждения выдерживает тепловой поток 6 – 30 МВт/м2. При исследовании термоциклической стойкости материала использовали пучок электронов с энергией 17 кэВ и плотностью потока энергии до 3 кВт/см2 при длительности импульса 2с и 100с. Оказалось, что без принудительного охлаждения УНК толщиной 6 мм на подложке из мелкозернистого графита при длительности импульса 2 с выдерживает без образования макротрещин и отслоений поток энергии до 1,7 кВт/см2, а при 100 с – до 0,66 кВт/см2. 

При экспозиции образцов материала толщиной 0,4 мм, осажденного на молибденовый сплав 4604 при поверхностной плотности потока энергии 1,0 кВт/см2, оплавились кромки образца, и капля металла, образовав канал длиной 4,6 мм и высотой 240 – 300 мкм, вышла на боковую поверхность образца. Отслоения УНК при этом не произошло. 

Исследования переходной зоны между молибденовым сплавом и УНК показали, что образовалось, по меньшей мере, три слоя с различными фазами, обладающие микротвердостью 1070 МПа для УНК, 2200 МПа для сплава и до 48750 МПа в ближайшем к сплаву слое УНК толщиной 8 – 15 мкм. 

Антифрикционные свойства. 

Антифрикционные свойства УНК в 4 – 6 раз выше, чем у других углеродных материалов.  Работа подшипников с газовой смазкой при различных температурных режимах, возможность возникновения эрозии и коррозии локальных участков рабочих элементов, контакты при пуске и остановке, случайные контакты на рабочей скорости и т.д. – все это предъявляет особые требования к выбору материалов подшипников. Наиболее полно этим требованиям удовлетворяет УНК в паре со сталью ШХ15 с хромированной рабочей поверхностью. Во-первых, УНК не теряет своих физико-механических свойств до 20000 С. Во-вторых, у него минимальный пусковой момент по сравнению с другими комбинациями графита. В-третьих, удельный линейный износ практически отсутствует. Наконец, его коэффициент трения при пуске в 1,5 – 2 раза меньше, чем у других углеродных материалов. 

Испытания образцов УНК в виде колец диаметром 35/25 мм и высотой 10 мм в условиях торцового уплотнения воды при давлении 1 кг/см2 и температуре 250С по стали 3Х13 показали, что из всех материалов УНК обладает наименьшим коэффициентом трения (0.005 - 0.013). 

При трении УНК на воздухе без смазки по стали 12Х18Н10Т и по титану ВТ-1 коэффициент трения составляет 0,08 – 0,1. 

Механическая обработка. 

УНК обрабатывается на токарных, фрезерных, сверлильных, шлифовальных и полировальных станках с помощью стандартных режущих инструментов. Мелкозернистая структура УНК позволяет изготавливать изделия толщиной 0,8 - 1 мм с кромками 0,03 мм и получать поверхности 12 - 13 класса чистоты. Исследования алмазной обработки УНК показали, что из этого материала можно изготавливать с высокой точностью модульные пластины для первой стенки термоядерных реакторов.

Применение  УНК.  

Освоенная в настоящее время номенклатура изделий из УНК вписывается в трубы и втулки диаметром до 180 мм и  толщиной стенки до 20 мм или пластины размером до 20х30х30, или 15х40х60, или 10х50х80, или 5х60х100 мм. 

УНК  может применяться в следующих областях.


Термоядерные установки: 

В термоядерных реакторах типа Токомак серии Т-3М, Т-4 и Т-7 на протяжении 4 – 7 лет УНК использовали в качестве диафрагмы, ограничивающей размеры плазменного шнура.
-   УНК применяют в торцевых уплотнениях, работающих при высоких окружных скоростях вращения и высоких параметрах рабочей среды энергонасыщенных узлов трения;

-   Опорные подшипники гидравлических турбин;

-   Подшипники в системе защиты атомных электростанций;

-   Подшипники скольжения в небольших узлах трения;

-   Элементы прецизионных пар трения в топливно-регулирующей аппаратуре;

-   Уплотнительные кольца для химических агрегатов и различных насосов, перекачивающих агрессивные жидкости; а также во многих других ответственных узлах трения.

Авиакосмическая  техника:

Детали двигателей, узлы трения без схватывания и заедания и т.п.

 

 

 

 

 

Военная техника: 

Втулки и пластины для управления газовой струей ракет и др.

 

 

 

 

 

Электротехническое машиностроение: 

Электроды, токопроводящие детали и контакты, щетки к электрическим машинам.

 

 

 

 

 

Химическое машиностроение: 

Детали запорных и проходных вентилей, кранов, насосов, футеровочных плит, инжекторов и их распылительных сопел и других деталей химической аппаратуры, работающих в агрессивных средах.

 

 

 

 Научное приборостроение: 

- УНК используют в качестве электродов для реализации различных электрохимических процессов, в том числе электрохимических методов анализа, где они с успехом заменяют благородные металлы (золото, серебро, платина) Высокотемпературной термической обработкой УНК получают нетекстурированный эталон для рентгеноструктурного анализа углеграфитовых материалов. Толщина кристаллов графита достигает 1 мкм, длина 10 мкм. По степени кристаллического совершенства полученные кристаллы графита превосходят кристаллы естественного цейлонского графита. В отличие от порошкообразного естественного графита термообработанный УНК имеет монолитное строение, что позволяет изготавливать из него эталонные образцы разной толщины

Литейное производство: 

Устройства для разливки благородных и цветных металлов.

 

 

 

 

 

 

Электроэрозионная обработка: 

Электроды-инструменты для электроэрозионной обработки небольших пресс-форм, штампов и т.п.