Пристрій для виготовлення вуглець-вуглецевого композиційного матеріалу

Реферат: Пристрій для одержання вуглець-вуглецевого композиційного матеріалу, в корпусі якого розміщена реакційна камера, що оснащена засобами підведення вуглеводневого газу та відведення відпрацьованих газів піролізу. Також реакційна камера з'єднана з камерою згорання, яка оснащена пристроями запалювання, підведення газу і повітря, і відводу продуктів згорання. Реакційна камера містить кришку-відбивач і бічну поверхню-відбивач променевої енергії. UA 67719 U (54) ПРИСТРІЙ ДЛЯ ВИГОТОВЛЕННЯ ВУГЛЕЦЬ-ВУГЛЕЦЕВОГО КОМПОЗИЦІЙНОГО МАТЕРІАЛУ UA 67719 U UA 67719 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до галузі пристроїв отримання вуглець-вуглецевих композиційних матеріалів (ВВКМ) з вуглецевих тканин, волокон і інших вуглецевмісних матеріалів шляхом газофазного осадження піролітичного вуглецю з вуглецевмісних газів (метану, пропану, бензолу, природного газу або їх сумішей), а також до конструкції пристроїв для здійснення цих технологій, і може бути використана в енергомашинобудуванні, ядерній енергетиці, аерокосмічній промисловості, суднобудуванні, сільськогосподарському машинобудуванні, медицині. Деталі з ВВКМ у вигляді сопел, поршнів, насадок, підшипників ковзання, торцевих ущільнень, поршневих кілець завдяки міцності, термостійкості, легкості, інертності до агресивних середовищ знаходять все більше застосування і в інших областях техніки і медицини. Відомий пристрій за авторським свідоцтвом СРСР № 512998, С01В 31/02 від 1973 року, в якому спосіб просочення заготовки піролітичним вуглецем з газової фази здійснюють шляхом розміщення її в реакційній камері і розігрівом від електронагрівачів з випуском відпрацьованих газів в атмосферу або спалюванням їх у вигляді факела. Недоліком цього пристрою отримання ВВКМ є низька економічність, висока енергоємність, викид в атмосферу продуктів піролізу, використання пристрою для отримання переважно тонкостінних виробів через велике коливання значень щільності в об'ємі товстостінної заготовки. Прототипом заявленого пристрою отримання ВВКМ є пристрій за патентом України № 5523 С01В 31/02, бюл. № 7-1 від 1994 року. У відомому пристрої для отримання ВВКМ просочення заготовки з вуглецевого волокнистого матеріалу піровуглецем в середовищі вуглеводнів здійснюють шляхом нагрівання його теплотою від спалювання відпрацьованих газів піролізу. Пристрій для виготовлення вуглець-вуглецевих композиційних матеріалів містить реакційну камеру, яка оснащена засобами підведення вуглеводневого газу та відведення відпрацьованих газів піролізу. З реакційною камерою з'єднана камера згорання, яка оснащена пристроями запалювання, підведення газу і повітря, а також відведення продуктів згорання. У відомому пристрої для отримання ВВКМ в реакційній камері вуглеводневий газ дифундує через вуглеволокнисту пористу заготовку, де під дією високої температури відбувається піроліз газу на нагрітій поверхні вуглецевих волокон і осадження піровуглецю, створюючи сполучні структури між волокнами і заповнюючи міжволокнисті пори. Щільність заготовки підвищується з одночасною графітизацією. Основна перевага відомого пристрою для одержання вуглець-вуглецевого композиційного матеріалу полягає у високій економічності процесу за рахунок використання відпрацьованих газів піролізу шляхом спалювання їх у спеціальній камері згорання, нагріву продуктами горіння реакційної камери і розташованої в ній заготовки та забезпечення технологічного процесу просочення заготовки піровуглецем без викиду продуктів піролізу в атмосферу. Це дозволило відмовитися від споживання електроенергії та зберегти екологію навколишнього середовища. Крім того, перевагами відомого пристрою для одержання ВВКМ є простота технічного виконання і компактність пристрою, висока графітність матриці, можливість обробки одночасно декількох заготовок, можливість управління швидкістю осадження піровуглецю. Основний недолік відомого пристрою для одержання ВВКМ полягає в нерівномірному нагріванні заготовки. Продукти горіння відпрацьованих газів піролізу омивають реакційну камеру знизу вгору: від днища - до верхньої кришки реакційної камери і виходять назовні через канал у верхній частині корпусу. Проходячи простір між реакційною камерою і стічними канавками корпусу, частина тепла гарячих газів дисипатує, що знижує температуру газів у верхній частині реакційної камери, викликаючи перепад температури по висоті реакційної камери, а отже і по висоті заготовки, яка розміщена в камері. Осадження піровуглецю відбувається з більшою інтенсивністю і великим заповненням пір в найбільш нагрітій зоні. У результаті отримати заготовку з однаковим об'ємним ущільненням піровуглецю по всьому об'єму вдається не у всіх випадках. Високої однорідності можна досягти шляхом проведення повторно процесу осадження піровуглецю при зміні положення заготовки в реакційній камері, повертаючи її на 180°. У цьому випадку економічність отримання виробу значно знижується, тривалість процесу зростає в кілька разів, включаючи час відключення, охолодження пристрою, перезарядки, пуску і розігріву, а також час повторного процесу осадження піровуглецю. В основу корисної моделі поставлена задача створення такого пристрою для отримання ВВКМ, у якому технічний прийом додаткового нагрівання заготовки з вуглецевого волокнистого матеріалу дозволив би збільшити приплив тепла до заготовки за рахунок променевої енергії від відбивачів і збільшення припливу тепла через бічну поверхню і кришку реакційної камери, тим самим забезпечити рівномірність нагрівання заготовки по всьому об'єму і за рахунок цього підвищити ефективність пристрою для отримання ВВКМ. 1 UA 67719 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Поставлена задача вирішується тим, що в пристрої для отримання вуглець-вуглецевого композиційного матеріалу здійснюють просочення заготовки з вуглецевого волокнистого матеріалу піровуглецем в середовищі вуглеводнів шляхом нагрівання її теплотою від спалювання відпрацьованих газів піролізу та додаткового нагріву променевою енергією від відбивачів. Пристрій для виготовлення ВВКМ містить корпус та реакційну камеру, яка оснащена засобами підведення вуглеводневого газу та відведення відпрацьованих газів піролізу. Реакційна камера, яка містить кришку-відбивач і бічну поверхню-відбивач променевої енергії, з'єднана з камерою згорання, що оснащена пристроями запалювання, підведення газу і повітря, а також відводу продуктів згорання. При цьому відбивачі реакційної камери виконані з високоякісного вуглець-вуглецевого композиційного матеріалу, що мають високий коефіцієнт теплопровідності, який можна порівняти з коефіцієнтом теплопровідності сталі (коефіцієнт теплопровідності стали Ст. 3 при 0 °С дорівнює 86 Вт/м·К, коефіцієнт теплопровідності ВВКМ при 0 °С дорівнює 5-80 Вт/м·К в залежності від структури і ступеня просочення піровуглецем). Додаткове нагрівання заготовки за рахунок променевої енергії та збільшення теплового потоку від виконаних з високоякісного ВВКМ кришки-відбивача і бічної поверхні-відбивача реакційної камери, у взаємозв'язку з іншими елементами невідомо і у заявленому пристрою для отримання ВВКМ виявляють нові властивості, які призводять до підвищення ефективності їх функціонування. Відбивачі реакційної камери виконані із дзеркальною внутрішньою поверхнею шляхом полірування з подальшим покриттям піровуглецем для відбивання променевої енергії, яка сприймається нагрітою заготовкою, тим самим підвищуючи рівномірність її нагріву і дифузії вуглеводневого газу по всьому об'єму. Виконання бокової поверхні і кришки з високоякісного вуглець-вуглецевого композиційного матеріалу, який має високий коефіцієнт теплопровідності, збільшує тепловий потік від омивання реакційної камери газами через її стінки до заготовки. В результаті збільшується швидкість нагріву заготовки, мінімізується за обсягом градієнт температури теплового поля, підвищується інтенсивність осадження піровуглецю на волокнах заготовки та заповнення міжволокнистих пір. За рахунок чого збільшується щільність і однорідність заготовки, поліпшуються властивості одержаного композиційного матеріалу з піровуглецевою матрицею. На кресленні показана схема пристрою, в якому здійснюють отримання вуглець-вуглецевих композиційних матеріалів. Пристрій містить корпус 1 з розміщеною в ньому реакційною камерою 2, що складається з кришки-відбивача 3, бічної поверхні-відбивача 4, які виконані з високоякісного ВВКМ. Також пристрій складається з графітового днища 5, камери згорання 6 та каналів 7, 8 для подачі повітря і вуглеводневого газу, з запальним пристроєм 9 та каналом 10 для виходу продуктів горіння відпрацьованих газів. Вуглеводневий газ надходить в реакційну камеру по газопідводній трубі 11 з регулюючим клапаном 12. Реакційна камера 2 з'єднана з камерою згорання 6 каналом 13 для виходу відпрацьованих газів піролізу. Корпус 1 оснащений каналом 14 для виходу продуктів згорання відпрацьованих газів піролізу. У реакційну камеру 2 поміщають заготовку 15 із вуглецевого волокнистого матеріалу для просочення піровуглецем. До запальних пристроїв 9 газ підводять за допомогою клапана 16. Вуглеводневий газ підводять через колектор 17. Просочення заготовки піролітичним вуглецем здійснюють в такій послідовності. Після завантаження реакційної камери 2 заготовками 15 з волокнистого вуглецевого матеріалу відкривають клапан 16 для подачі газу на запальний пристрій 9 і його запалення, повітря надходить у камеру згорання через канал 7. Одночасно відкривають клапан 12, по трубці 11 газ надходить в реакційну камеру 2, витісняючи повітря, що знаходиться в ній. Регулюючи подачу газу, встановлюють оптимальний режим горіння в камері згорання 6, що забезпечує повне згоряння газу. Продукти згорання виходять із камери згорання 6 через канали 10, омивають бічну поверхню-відбивач 4 і кришку-відбивач 3 реакційної камери 2 нагрівають її до температури 920-980 °С, після чого закривають клапан 16, а горіння в камері згорання 6 забезпечує газ, який надходить з реакційної камери 2 через канал 13. Регулюючи витрати газу клапаном 12, в реакційній камері підтримують рівень заданої температури. Завдяки високій теплопровідності високощільного вуглець-вуглецевого композиційного матеріалу кришки-відбивача 3 та бічній поверхні-відбивача 4 забезпечена висока швидкість нагрівання реакційної камери 2 і заготовки 15, при цьому втрати тепла продуктів горіння через стінки корпусу 1 значно скорочуються. Крім того, променева енергія від розігрітої заготовки 15, відбиваючись від дзеркальної поверхні відбивачів реакційної камери 2, додатково нагріває заготовку та сприяє зниженню градієнта температурного поля, а також рівномірному нагріванню заготовки 15 по всьому об'єму. У результаті чого осадження піролітичним вуглецем на поверхні вуглецевих волокон і заповнення міжволокнистих пір відбувається рівномірно по всьому об'єму, за рахунок чого збільшується 2 UA 67719 U 5 10 щільність і однорідність заготовки, поліпшуються властивості одержаного вуглець-вуглецевого композиційного матеріалу з піровуглецевою матрицею. Зниження втрат тепла продуктів горіння піролізу через стінки корпусу 1 і збільшення швидкості нагрівання реакційної камери 2 разом із заготовкою 15 внаслідок високої теплопровідності її стінок і додатково нагрівання її променевою енергією від відбивачів підвищує економічність роботи пристрою для отримання ВВКМ, а також підвищує властивості одержуваного матеріалу. Після завершення технологічного циклу клапан 12 закривають і після охолодження системи розкривають реакційну камеру 2, заготовку 15 вивантажують. Експериментальна перевірка показала надійність, простоту технічного рішення, екологічність роботи пристрою і одержання ВВКМ високої якості. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 15 20 1. Пристрій для одержання вуглець-вуглецевого композиційного матеріалу, в корпусі якого розміщена реакційна камера, що оснащена засобами підведення вуглеводневого газу та відведення відпрацьованих газів піролізу, також реакційна камера з'єднана з камерою згорання, яка оснащена пристроями запалювання, підведення газу і повітря, і відводу продуктів згорання, який відрізняється тим, що реакційна камера містить кришку-відбивач і бічну поверхнювідбивач променевої енергії. 2. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що відбивачі реакційної камери виконані з високоякісного вуглець-вуглецевого композиційного матеріалу. Комп’ютерна верстка Л. Купенко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3