Композиційний матеріал

1 Композиційний матеріал з металевою мат рицею та вуглецевим наповнювачем, який відрізняється тим, що наповнювач виконаний у вигляді каркаса з дрібних дискретних вуглецевих волокон, що з'єднані коксом термореактивної смоли у місцях їх контакту, при цьому наповнювач складає 1320 об % 2 Композиційний матеріал по п 1, який відрізняється тим, що розмір дрібних дискретних вуглецевих волокон не перебільшує Змм Винахід відноситься до виробництва конструкційних самозмащувальних матеріалів, які використовують для виготовлення елементів тертя, виробів електротехнічного призначення, наприклад струмознімачів тролейбусів, електричних машин, тощо Відомим Є КОМПОЗИЦІЙНИЙ матеріал для щіток електричних машин (див а с СРСР № 660131 від 05 04 77, опубл ЗО 04 79, М Кл 2 Н01R 39/20), який містить шари вуглецевих волокон з покриттям із зв'язуючого матеріалу та металевий компонент, розташований у міжшарових просторах волокон Як вуглецеві волокна використовують поліакрилонітрильні волокна, як зв'язуючий матеріал фенолформальдепдні смоли або епоксидні смоли, як металевий компонент - перехідні метали чи їх солі У цьому матеріалі металевий компонент складає не більше ніж 35% ваги Відомий матеріал характеризується слабковираженими електричними властивостями, що обумовлено низькою КІЛЬКІСТЮ металевого компонента, розташованого у міжшарових просторах елементарних волокон Для підвищення електричних характеристик до необхідного рівня такий матеріал додатково армують металевим дротом, наприклад мідним, алюмінієвим або іншим Найбільш близьким по технічній суті та досягнутому результату до винаходу, що заявляється, є композиційний матеріал з металевою матрицею та вуглецевим наповнювачем (див а з Японії № 5510560 від 29 0172, опубл 17 03 80, М Кл С04В 35/52) У цьому матеріалі наповнювач виконаний у вигляді пенококсу з карбонізованої термореактивної смоли, а тоді просочений кольоровим металом або його сплавом з температурою плавлення 2001100°С До недоліків відомого композиційного матеріалу відносяться його низькі електричні характеристики, а також нерівномірність їх по об'єму композиційного матеріалу При карбонізації термореактивної смоли, що відбувається при 900°С, утворюється спучений пористий пінококс Структура пшококсу має неоднорідну пористість з великою часткою закритих пор, переважно розташованих у середній частині його об'єму Об'ємна частка відкритих пор є низькою та складає 10 - 15% Вони в основному зосереджені у поверхневих шарах пшококсу Композиційний матеріал, який утворений просоченням коксу смоли рідким металом, характеризується низьким вмістом металевої матриці (до 12об %) та надзвичайно високим вмістом вуглецевого наповнювача - пшококсу смоли, який є високоомним матеріалом Завдяки цьому композиційний матеріал має низькі електричні характеристики Крім того, нерівномірне розподілення відкритих пор по об'єму вуглецевого наповнювача спричиняє ге, що металева матриця є неоднорідною У поверхневих шарах вуглецевого наповнювача розміщується більше металу, ніж у середніх Таким чином, композиційний матеріал має неоднорідну структуру, що спричиняє нерівномірність електричних характеристик по його об'єму В основу винаходу поставлено задачу удоско О о 49077 налення композиційного матеріалу, у якому шляхом утворення нової структури наповнювача та нового співвідношення між елементами композиційного матеріалу забезпечується рівномірне розподілення наповнювача при одночасному збільшенні вільного об'єму, який заповнений металевою матрицею, за рахунок чого забезпечується стабільність підвищення електричних характеристик та рівномірність їх по об'єму композиційного матеріалу та фізичних властивостей композиційного матеріалу Поставлена задача вирішується тим, що у композиційному матеріалі з металевою матрицею та вуглецевим наповнювачем, згідно з винаходом, новим є те, що наповнювач виконаний у вигляді каркасу з дрібних дискретних вуглецевих волокон, що з'єднані коксом термореактивної смоли у місцях їх контакту, при цьому наповнювач складає і З - 20 об % Новим є також те, що розмір дискретних вуглецевих волокон не перебільшує Змм Причинно-наслідковий зв'язок між сукупністю суттєвих ознак винаходу, що заявляється, та технічним результатом, що досягається, полягає в тому, що виконання наповнювача з новою структурою, а саме, як каркас з дрібних дискретних вуглецевих волокон, що з'єднані коксом термореактивної смоли у місцях їх контакту, у сукупності з відомими ознаками забезпечує рівномірне розподілення наповнювача в об'ємі каркасу при одночасному збільшенні вільного об'єму, який заповнений металом Пояснюється це так При формуванні вуглецевого наповнювача з дрібних дискретних вуглецевих волокон відбувається їх рівномірне розподілення у просторі з хаотичною орієнтацією Фіксація такого положення елементів дискретних дрібних волокон коксом термореактивної смоли у місцях їх контакту забезпечує утворення каркасу з рівномірно розподіленими в його об'ємі вуглецевими волокнами У каркасі утворюється достатньо поширена система вільного простору Вільний простір у каркасі має наскрізний характер, а закриті пори у об'ємі практично відсутні Така структура вуглецевого наповнювача дозволяє при відносно низькій КІЛЬКОСТІ вуглецевого наповнювача (13 - 20%) одержати у ньому великий об'єм вільного простору - до 80 - 87% Композиційний матеріал, який утворений просоченням такого каркасу рідким металом, складається з металевої матриці і рівномірно розподіленого у ній вуглецевого наповнювача Металева матриця по усьому об'єму композиційного матеріалу має високу однорідність Завдяки цьому, отриманий композиційний матеріал має високі електричні характеристики при забезпеченні їх рівномірності по усьому об'єму композиційного матеріалу Межі КІЛЬКОСТІ наповнювача у складі матеріалу, що заявляються, встановлено експериментальне Якщо об'ємний вміст наповнювача нижче за 13об %, знижується механічна МІЦНІСТЬ каркасу Якщо це значення перевищує 20 об %, то збільшується частка багатоомної складової у композиційному матеріалі Внаслідок чого погіршуються елек тричні характеристики матеріалу Експериментальне встановлено також оптимальний розмір дискретних вуглецевих волокон, який має становити не більше, ніж 3 мм Перевищення цього розміру призводить до виникнення переважної паралельної орієнтації дискретних волокон у просторі каркасу БІЛЬШІСТЬ З ВОЛОКОН встановлюється паралельними шарами При цьому змінюється ЩІЛЬНІСТЬ пакування волокон у повздовжньому та поперечному напрямках та, як наслідок, знижується вільний об'єм каркасу вуглецевого матеріалу Виникає анізотропія електричних характеристик у вказаних напрямках та погіршуються їх значення На фіг наведено фото структури каркасу композиційного матеріалу, яке одержане у масштабі 1 150000 на електронному мікроскопі На фото видно окремі вуглецеві волокна 1, які зв'язані коксом 2 термореактивної (фенолформальдепдної) смоли Між волокнами 1 як темний фон видно наскрізний вільний простір, де при просоченні рідким металом утворюегься металева матриця Композиційний матеріал, що заявляється, виробляють таким способом Дрібні вуглецеві волокна розміром до Змм, які одержані карбонізацією віскозних ниток та подрібнені механічними засобами, порошок термореактивної смоли та воду перемішують у змішувачі Суміш зливають на сито, просушують до повного випарення вологи, а тоді полімеризують, карбонізують та піддають термообробці Як термореактивну смолу використовують епоксидну, фенолформальдепдну та поліефірну смолу, яку подрібнено до дисперсності 20 - 90мкм Суміш складають з 8 - 10 часток вуглецевих волокон та 1 частки смоли ЩІЛЬНІСТЬ одержаного виробу складає 0,25г/см3 Виріб розміщують у ємності, що завантажують до вакуумно-компресійної установки, де нагріту заготовку заливають розплавленим алюмінієм Охолодження заготовки відбувається під час витримки під дією надмірного тиску Одержаний композиційний матеріал має металеву матрицю та вуглецевий наповнювач, що рівномірно розподілений, та складає 13 - 20 об % Межі КІЛЬКОСТІ наповнювача у складі матеріалу, що заявляється, встановлені експериментально Було проведено серію дослідних випробувань композиційного матеріалу за винаходом, де як метал матриці використовували алюміній, мідь, свинець, сплав алюмінію "Дюраль" За технологією, як описано вище, одержані КОМПОЗИЦІЙНІ матеріали з об'ємною часткою вуглецевого наповнювача, що дорівнює 10, 13, 17, 20, 25 об%, при використанні вуглецевого наповнювача розміром волокон до Змм Було перевірено також матеріал з використанням вуглецевого волокна довжиною 4 - 5мм при оптимальній об'ємній частці вуглецевого наповнювача (17об%) 49077 Для оцінки рівня електричних характеристик визначали питомий електричний опір композиційного матеріалу, а оцінку рівномірності значення характеристик по його об'єму проводили шляхом виміру питомого електричного опору у поздовжньому та поперечному напрямках заготівки з ком позиційного матеріалу Дійсне значення електричного опору визначали як середню величину йогозначень у різних місцях заготовки у вищевказаних напрямках Одержані результати наведені у таблиці Таблиця Характеристика, Вуглецевий наодиниця виміру Приповнювач, об % клад № 1 2 1 10 2 13 3 17 4 20 5 25 6 17 Металева матриця, об% 3 90 87 83 80 75 83 Розмір дрібних вуглецевих волокон , MM 4 ДоЗ ДоЗ ДоЗ ДоЗ ДоЗ 4-5 Як видно з таблиці, мінімальний електричний опір мають КОМПОЗИЦІЙНІ матеріали з об'ємною часткою вуглецевого наповнювача 13 - 20 об % (приклади №№ 2 - 4) Величини питомого електричного опору у поздовжньому та поперечному напрямках є стабільні та мають однакове значення, тобто 0,3, 0,5, 0,65 - у поздовжньому напрямку та 0,3, 0,5, 0,65 -у поперечному У композиційному матеріалі, де об'ємна частка вуглецевого наповнювача складає менш за 13 об % (приклад № 1) відбувається фізичне зминання каркасу при насиченні його металом При використанні вуглецевих волокон з розміром часток більш ніж Змм (приклад № 6) з'являється анізотропія електричних характеристик у поздовжньому та поперечному напрямках, а також підвищується значення електричного опору Так у поздовжньому напрямку матеріал має питомий електричний опір - 0,5мОм м, а у поперечному напрямку - 0,65мОм м ! .-• у". 1*, ґ." ! • '• 1 ••=••"••: :V • • V • •".. "О • . h ' 1 '••'.• • • ' •':• '. : . . »• : Питомий електричний опір, мОм, м У поздовжньому У поперечному напрямку напрямку 5 6 — — 0,3 0,3 0,5 0,5 0,65 0,65 0,9 0,9 0,3 0,65 . * • " • 49077 ДП «Український інститут промислової власності» (Укрпатент) вул Сім'ї Хохлових, 15, м Київ, 04119, Україна (044) 456 - 20 - 90 ТОВ "Міжнародний науковий комітет" вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна (044)216-32-71