Основные технологические этапы производства углеродных материалов. Основные виды продукции.

Введение.

В современном мире углеродные материалы играют важную роль во многих отраслях хозяйства благодаря сочетанию жаропрочности, механической прочности при высоких температурах, химической стойкости в агрессивных средах, а так же они способны увеличивать свою прочность с возрастанием температуры. Таким образом, на основе углеродных материалов создаются уникальные детали различной сложности, которые применяют от медицины до космоса.

Технология получения углеродных материалов включает несколько этапов, а так же определяющую роль играет сырье (наполнитель и связующее). Именно сырьевым материалам в производстве углеродных материалов посвящена эта работа.

Основные технологические этапы производства углеродных материалов. Основные виды продукции.

Углеродные материалы включают в себя широкий спектр как природных, так и искусственно созданных веществ.

Искусственно созданные углеродные материалы - это, прежде всего, углеграфитовые материалы. Они делятся на электродные, огнеупорные, химически стойкие, электроугольные, антифрикционные изделия, а так же графитированные блоки и электродные массы. Как упоминалось ранее, свойства углеграфитовых материалов зависят от двух основных факторов: сырьевых материалов, используемых в производстве и технологий изготовления. Основные операции производства не претерпели существенных изменений.

Принципиальная схема производства углеродных материалов

Сначала происходит предварительная подготовка углеродистых материалов путем дробления, затем идет прокаливание (термическая обработка углеродистых материалов без доступа воздуха при высокой температуре). Этой операции подвергаются все углеродные наполнители, за исключением графитов и сажи. Происходит предварительная усадка углеродистых наполнителей, удаляется основная масса летучих соединений, увеличивается удельный вес, повышается электропроводность и механическая прочность. Прокаливание проводят в специальных печах:

-Электрические (нагрев протекает за счет превращения электрической энергии в тепловую)

-Вращающиеся барабанные (отопительные газы непосредственно контактируют с прокаленным материалом). Температурный режим печи обеспечивается путем изменения подачи топлива. Важное условие --герметичность печи. Только в этом случае можно четко регулировать количество подаваемого воздуха в печь,

Схема барабанной вращающейся печи: 1 — песоч­ный затвор, 2 — течка, 3 — горелка, 4 — горячая головка, 5 — привод печи, 6 — барабан печи, 7 — загрузочная течка, 8 — хо­лодная головка, 9 — шибер, 10 — холодильник; I — обжигаемый материал, II — топливо, III — горячие газы, IV — продукты об­жига, V — отходящие газы

-Ретортные (тепло передается через стенку из огнеупорного кирпича и идет нагрев материала, только газового обогрева)

Схема ретортной печи: а — разрез по отопительному простенку; б — по ретортам: 1 — реторта, 2 — охлаждающее устройство, 3 -, — рекуператор, 4 — канал для топливного газа, 5 — канал для горячего воздуха, 6 — окна для летучих веществ; I — прокаливаемый материал, II — прокаленный материал, III — топливный газ, IV — холодный воздух, V — подогретый воздух, VI — горячие дымовые газы в простенке, VII — дымовые газы

Прежде чем приступить к обжигу, необходимо придать подготовленной массе определенную форму и размер, что достигается в результате ее прессования. Существуют два метода прессования - в пресс-форму и выдавливанием через мундштук. В обоих способах под действием внешнего усилия материал подвергается пластической деформации, когда он течет подобно жидкости. Твердые углеродные наполнители как природные (графит, антрацит), так и искусственные (кокс, сажа) смешиваются со связующим (пеки, искусственные смолы). Эта смесь прессуется и получаются «зеленые» заготовки.

Затем «зеленые» заготовки подвергаются обжигу (термической обработке без доступа воздуха). При этом связующее превращается в кокс, связывая углеродный наполнитель в единое. Таким образом, создается единое углеродистое тело, обладающее в свою очередь определенными свойствами. В процессе обжига спрессованные заготовки постепенно нагревают до 800 - 1100°С, а затем постепенно охлаждают. В России в основном пользуются многокамерными сводовыми печами.

Схема многокамерной обжиговой печи: 1-20 -- камеры. 1 -холодный воздух; II — горячий воздух; III — топливный газ; Г\ — дымовые газы на обогрев заготовок; V — отходящие газы н; сброс в дымовую трубу

Обожженный материал затем подвергается дальнейшей высокотемпературной обработке без доступа воздуха (графитация). После графитации электропроводность, теплостойкость и химическая стойкость изделий сильно возрастают, а так же уменьшается твердость и изделие легко поддается механической обработке. Графитация проводится в электрических печах.

Графитировочная печь: 1 прямоугольное корыто, 2 торцевая стенка, 3 токоподводящие электроды, 4 теплоизоляционная шихта, 5 графитируемые изделия, 6 боковые стенки, 7 пересыпка

Классы искусственно созданных углеродных материалов постоянно расширяются, так как появляются новые отрасли в науке и промышленности, следовательно, конструкторы и технологи предъявляют более жесткие требования к данным материалам.

Развитие авиации и освоение космоса способствовало созданию углеродных волокон, состоящих практически из чистого углерода, обладающих относительно высокой прочностью, хемо стойкостью, теплопроводностью и низкой плотностью.

Был создан принципиально новый класс конструкционных материалов – углепластиков—путем введения углеродных волокон в полимерные материалы. Они представляют собой композиционные материалы на основе полимерной матрицы, армированной непрерывными или дискретными углеродными волокнами. Углепластики TENAX квалифицированы для использования в авиалайнерах. Модель лыж от Audi предназначена для того, чтобы оптимизировать маневренность и скорость. Для этого при изготовлении был использован передовой материал – углепластик, благодаря которому лыжи длинной 170 см имеют вес 1550 г, отличающийся от других моделей на целых 200 г.

Углеродные конструкционные материалы (УКМ) отличаются от известных материалов более высокой удельной прочностью и жесткостью. Однако полимерные матрицы обладают низкой термостойкостью.

В последнее время в различных отраслях все чаще используются углерод-углеродные композиционные материалы (УУКМ), содержащие углерод, как в виде наполнителя, так и в виде матричного материала. В УУКМ высокая температур стойкость сочетается с малой плотностью, высокими прочностью и модулем упругости, стойкостью к тепловому удару. Эти материалы длительно работоспособны при высоких температурах. УУКМ может быть получен либо осаждением пироуглерода на углеродный волокнистый наполнитель, либо поочередно многократной пропиткой углепластика полимерным связующим и высокотемпературной обработкой.УУКМ применяются в авиаcтроении и автомобилестроении: тормозные диски

К искусственно созданным углеродным материалам относятся: технический углерод (сажа), углеродные сорбенты и синтетические алмазы.